Interplay of Ultrafast Electron–Phonon and Electron–Electron Scattering in Ti3C2Tx MXenes: Ab Initio Quantum Dynamics

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作者
Shiying Shen,Haoran Lu,Shriya Gumber,Oleg V. Prezhdo,Run Long
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.5c01242
摘要

Nonthermal electrons are vital in solar energy and optoelectronics, yet their relaxation pathways are not fully understood. Ab initio quantum dynamics reveal that in Ti3C2O2 electron-phonon (e-ph) relaxation is faster than electron-electron (e-e) scattering due to strong coupling with the A1g phonon at 190 cm-1 and the presence of light C and O atoms. Nuclear quantum effects are minimal; vibrations influence e-e scattering only indirectly, and the A1g mode' zero-point energy is much lower than thermal energy at ambient conditions. Substituting O with heavier S in Ti3C2OS slows e-ph relaxation and enhances e-e scattering, making it a faster process. However, both channels proceed concurrently, challenging the e-e and e-ph time scale separation often used for metals. These results underscore the need for atomistic-level understanding of nonthermal electron dynamics, especially in light-element systems such as MXenes, and provide guidance for optimizing electronic relaxation in advanced optoelectronic materials and devices.
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