The Role of Surface Oxygen Vacancies in BiVO4

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作者
Wennie Wang,Patrick J. Strohbeen,Dongho Lee,Chenyu Zhou,Jason K. Kawasaki,Kyoung‐Shin Choi,Mingzhao Liu,Giulia Galli
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:32 (7): 2899-2909 被引量:156
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b05047
摘要

Bismuth vanadate (BiVO<sub>4</sub>) is a widely studied oxide in solar water splitting, known for its ease of synthesis, high charge extraction yields, and advantageous band alignment with water. We present a combined first-principles and experimental study of the electronic structure of the (010) surface of BiVO<sub>4</sub> aimed at disentangling the impact of the surface and bulk oxygen vacancies on the electronic structure and transport properties. We found that oxygen vacancies are deep donors at the surface as they are in the bulk; our calculations on defect and polaron formation energies suggest that, while polarons formed from oxygen vacancies in the bulk can contribute to conductivity, those at the surface likely do not. Our results also show that out-of-plane structural relaxations at the surface contribute to the relatively immobile nature of electron polarons derived from surface oxygen vacancies. The structural model derived from first-principles calculation was validated by comparing computed results with experimental measurements of single-crystal and epitaxially grown single-crystalline BiVO<sub>4</sub> samples. Finally, we also found a reasonably good agreement between our calculated and measured work functions for BiVO<sub>4</sub> samples with and without oxygen vacancies.
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