Polaronen in PbTiO3?

Eine Untersuchung zur Bildung und Wanderung von Polaronen

28.07.2022 von

Die Dissoziation kurzlebiger Exzitonen führt zu freien Elektronen und Löchern. Wenn diese mit der Bewegung von Kernen koppeln, werden die freien Ladungen an einem Gitterplatz eingefangen und es bilden sich Polaronen. Aufgrund der Beteiligung von Gitterverzerrungen an der Bildung von Polaronen übersteigt ihre Lebensdauer die von Exzitonen. In dieser Studie wird die Bildung und Migration von Polaronen in PbTiO3 behandelt.

Ladungsverteilung um ein Elektron-Polaron das von der Anfangsposition (a) über den Sattelpunkt (b) in die Endkonfiguration (c) spring. Berechnet mit PBE + U Funktionalen.

PbTiO3 ist ein prototypisches ferroelektrisches ABO3-Material, das auch das Endglied einiger der wichtigsten piezoelektrischen und ferroelektrischen Mischkristalle ist. Dennoch fehlen in der Literatur Untersuchungen zur Bildung und Wanderung von Polaronen in der technologisch wichtigen tetragonalen Phase. Unter Verwendung eines Hubbard-U-Parameters von 4,75 eV auf einem Ti-d-Orbital, einem 4 × 4 × 4 ?-zentrierten k-Netz und dem Kleinkern-PP von Ti identifizieren wir die Bildung eines kleinen STel mit der Einfangenergie von 0,18 eV, was in sehr guter Übereinstimmung mit Ergebnissen steht, die mit dem HSE06-Funktional (0,16 eV) erhalten wurden. Darüber hinaus haben wir die Migration des STel unter Verwendung untersucht, was zu einer Migrationsbarriere von 0,21 eV führte. Diese ist so hoch, dass Polaronen keinen signifikanten Einfluss auf die n-Typ-Leitfähigkeit von PbTiO3 haben. Wir präsentieren auch das Konfigurationskoordinatendiagramm zur Veranschaulichung Energiebilanz als Funktion von Gitterverzerrungen für delokalisierte und polaronische Lösungen und sagen die Energie voraus, die erforderlich ist, um ein Photon zum Anregen eines Elektrons von einem lokalisierten In-Gap-Zustand in einen delokalisierten Bandzustand zu absorbieren. Ergänzende Einblicke in die optischen Übergänge des Elektronenpolarons wurden durch Berechnung des schematischen Konfigurationskoordinatendiagramms, das mit den optischen Übergängen des STel verbunden ist, unter Verwendung von Hybridfunktionsrechnungen bereitgestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rekombination des STel mit einem freien Loch im Valenzband zu einem Emissionspeak bei 2,49 eV führt, was zu einer grünen Lumineszenz führt und in guter Übereinstimmung mit dem experimentellen optischen Emissionspeak bei 2,4 eV steht. Für den Fall des Loch-Selbsteinfangs auf O 2p könne wir zeigen, dass die lokalisierten Löcher energetisch ungünstiger sind als ihre delokalisierten Gegenstücke.

10.1103/PhysRevMaterials.6.074410