Excitons in Hematite Fe2O3: Short-Time Dynamics from TD-DFT and Non-Adiabatic Dynamics Theories

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作者
Lili Rassouli,Mohammad Shakiba,Alexey V. Akimov,Xuyan Ma,Michel Dupuis
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:128 (33): 13681-13693
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.4c03247
摘要

We present a first-principles study of the short-time dynamics of excitons in hematite Fe2O3. We used time-dependent density functional theory (TD-DFT) with an underlying DFT+U treatment of electron interactions to characterize the electronic structure of excitons and nonadiabatic molecular dynamics theory (NA-MD) to determine their recombination (electronic ground-state recovery) and relaxation dynamics. Decoherence-corrected trajectory surface hopping approaches in NA-MD simulations yielded recovery times of ∼1.1 to 1.8 ns and "higher-lying" exciton relaxation times of ∼60 to 70 fs, in accord with experimentally derived lifetimes. With hematite phonons in the range of ∼100 to 700 cm–1, higher-lying excitons relax within one or two oscillations of the phonons before getting trapped into an electron–hole pair Exc-3 structure on the first excited state potential energy surface. This structure resembles already a pair of polarons (electron polaron plus hole polaron) with associated lattice distortions three (3) basal planes away. On longer time scales, the electron–hole bipolaronic pair hops to structures Exc-5, then Exc-7, then Exc-9, ... with the electron polaron and hole polaron separated by 5, 7, 9, ... basal planes in a process of charge separation. The largest frequency phonon ∼672 cm–1 for the Exc-3 exciton structure is associated with the electron polaron moiety of the exciton. This phonon is a good candidate for giving rise to the recently observed and reported postexcitation transient IR absorption peak.

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