金红石 TiO$_2$(110) 表面小极化子的形成与动力学
材料科学
2018-07-25 v1 化学物理
计算物理
摘要
电荷俘获与极化子形成是过渡金属氧化物中普遍存在的现象，尤其在表面，影响着宿主材料的基本物理性质和功能性。本文通过第一性原理方法，在宽泛的氧空位浓度范围内，研究了作为极化子典型体系的二氧化钛还原表面上小极化子的形成与动力学。我们报道了极化子的基本特征如何能用少量物理量充分描述：局域结构与化学环境、带负电极化子与带正电氧空位之间的吸引相互作用，以及自旋依赖的极化子-极化子库仑排斥。我们将基于实验观测得到的真实样品上的分子动力学模拟与简化的静态模型相结合，以厘清其中起作用的各个变量。我们发现，依据具体的俘获位点，可形成不同类型的极化子，其轨道对称性、局域化程度和结构畸变程度均不同。能量上最稳定的极化子位点是配位不足的表面 Ti 原子下方的次表面 Ti 原子，这归因于晶格畸变能代价小且静电势合适。极化子-极化子排斥与极化子-空位吸引决定了极化子的空间分布以及极化子带隙内态的能量。在实验可实现的氧空位浓度范围内，计算数据与观测结果高度吻合，从而验证了整体解释。
引用
@article{arxiv.1805.01849,
title = {Formation and dynamics of small polarons on the rutile TiO$_2$(110) surface},
author = {Michele Reticcioli and Martin Setvin and Michael Schmid and Ulrike Diebold and Cesare Franchini},
journal= {arXiv preprint arXiv:1805.01849},
year = {2018}
}