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Dynamics of Photoexcited Small Polarons in Transition-Metal Oxides

极化子 光激发 化学物理 离域电子 材料科学 声子 凝聚态物理 电子 纳秒 飞秒 原子物理学 分子物理学 化学 激发态 物理 激光器 光学 量子力学 有机化学
作者
Lili Zhang,Weibin Chu,Chuanyu Zhao,Qijing Zheng,Oleg V. Prezhdo,Jin Zhao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:12 (9): 2191-2198 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.1c00003
摘要

The dynamics of photoexcited polarons in transition-metal oxides (TMOs), including their formation, migration, and quenching, plays an important role in photocatalysis and photovoltaics. Taking rutile TiO2 as a prototypical system, we use ab initio nonadiabatic molecular dynamics simulation to investigate the dynamics of small polarons induced by photoexcitation at different temperatures. The photoexcited electron is trapped by the distortion of the surrounding lattice and forms a small polaron within tens of femtoseconds. Polaron migration among Ti atoms is strongly correlated with quenching through an electron–hole (e–h) recombination process. At low temperature, the polaron is localized on a single Ti atom and polaron quenching occurs within several nanoseconds. At increased temperature, as under solar cell operating conditions, thermal phonon excitation stimulates the hopping and delocalization of polarons, which induces fast polaron quenching through the e–h recombination within 200 ps. Our study proves that e–h recombination centers can be formed by photoexcited polarons, which provides new insights to understand the efficiency bottleneck of photocatalysis and photovoltaics in TMOs.
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