Delocalized Impurity Phonon Induced Electron–Hole Recombination in Doped Semiconductors

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作者
Lili Zhang,Qijing Zheng,Yu Xie,Zhenggang Lan,Oleg V. Prezhdo,Wissam A. Saidi,Jin Zhao
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 1592-1599 被引量:94
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.7b03933
摘要

Semiconductor doping is often proposed as an effective route to improving the solar energy conversion efficiency by engineering the band gap; however, it may also introduce electron-hole (e-h) recombination centers, where the determining element for e-h recombination is still unclear. Taking doped TiO2 as a prototype system and by using time domain ab initio nonadiabatic molecular dynamics, we find that the localization of impurity-phonon modes (IPMs) is the key parameter to determine the e-h recombination time scale. Noncompensated charge doping introduces delocalized impurity-phonon modes that induce ultrafast e-h recombination within several picoseconds. However, the recombination can be largely suppressed using charge-compensated light-mass dopants due to the localization of their IPMs. For different doping systems, the e-h recombination time is shown to depend exponentially on the IPM localization. We propose that the observation that delocalized IPMs can induce fast e-h recombination is broadly applicable and can be used in the design and synthesis of functional semiconductors with optimal dopant control.

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