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Identification of large polarons and exciton polarons in rutile and anatase polymorphs of titanium dioxide

极化子 锐钛矿 激子 金红石 化学物理 二氧化钛 材料科学 电子 凝聚态物理 化学 物理 光催化 量子力学 有机化学 催化作用 冶金
作者
Zhenbang Dai,Feliciano Giustino
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:121 (48)
标识
DOI:10.1073/pnas.2414203121
摘要

Titanium dioxide (TiO 2 ) is a wide-gap semiconductor with numerous applications in photocatalysis, photovoltaics, and neuromorphic computing. The unique functional properties of this material critically depend on its ability to transport charge in the form of polarons, namely narrow electron wavepackets accompanied by local distortions of the crystal lattice. It is currently well established that the most important polymorphs of TiO 2 , the rutile and anatase phases, harbor small electron polarons and small hole polarons, respectively. However, whether additional polaronic species exist in TiO 2 , and under which conditions, remain open questions. Here, we provide definitive answers to these questions by exploring the rich landscape of polaron quasiparticles in TiO 2 via recently developed ab initio techniques. In addition to the already known small polarons, we identify three species, namely a large hole polaron in rutile, a large quasi-two-dimensional electron polaron in anatase, and a large exciton polaron in anatase. These findings complete the puzzle on the polaron physics of TiO 2 and pave the way for systematically probing and manipulating polarons in a broad class of complex oxides and quantum materials.
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