Comprehensive study of the interstitial hydrogen donor in SnO2

结晶学 间质缺损 吸收(声学) 物理 原子物理学 材料科学 凝聚态物理 兴奋剂 化学 光学 量子力学
作者
F. Herklotz,E. V. Lavrov,В. В. Мельников,Zbigniew Galazka,V. F. Agekyan
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (20) 被引量:6
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.205204
摘要

The nature of interstitial hydrogen in ${\mathrm{SnO}}_{2}$ has been inferred by a combined study of first-principles theory and infrared absorption, near band edge absorption, and photoluminescence spectroscopy. The earlier interpretation of a center with an $\mathrm{O}--\mathrm{H}$ stretch mode at 3156 ${\mathrm{cm}}^{\ensuremath{-}1}$ as interstitial hydrogen is confirmed. Uniaxial stress experiments on the 3156 ${\mathrm{cm}}^{\ensuremath{-}1}$ mode reveal that the interstitial hydrogen atom is located in the open $c$ channel of the rutile ${\mathrm{SnO}}_{2}$ structure. Migration along the $c$ axis of the crystals occurs via low barrier hydrogen jumps of around 0.57 eV to symmetrically equivalent nearest-neighbor positions. Combinational vibrations of the $\mathrm{O}--\mathrm{H}$ stretch mode with the out-of-$ab$-plane and in-$ab$-plane wag modes at about 4014 and 4332 ${\mathrm{cm}}^{\ensuremath{-}1}$ have been identified. Free carrier absorption and excitonic properties of the defect demonstrate that ${\mathrm{H}}_{i}$ forms an effective shallow-donor-like state similar to the well-characterized F, Cl, and Sb $n$-type dopants in this material.

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