Charge Carrier Transport Mechanism in Ta2O5, TaON, and Ta3N5 Studied by Applying Polaron Hopping and Bandlike Models

极化子 电荷(物理) 载流子 材料科学 化学物理 凝聚态物理 密度泛函理论 电子迁移率 物理 量子力学 电子
作者
Qianyu Zhao,Mengsi Cui,Taifeng Liu
出处
期刊:ChemPhysChem [Wiley]
卷期号:23 (6) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/cphc.202100859
摘要

TaON and Ta3 N5 are considered promising materials for photocatalytic and photoelectrochemical water splitting. In contrast, their counterpart Ta2 O5 does not exhibit good photocatalytic performance. This may be explained with the different charge carrier transport mechanisms in these materials, which are not well understood yet. Herein, we investigate the charge transport properties in Ta2 O5 , TaON, and Ta3 N5 by polaron hopping and bandlike models. First, the polaron binding energies were calculated to evaluate whether the small polaron occurs in these materials. Then we performed calculations to localize the excess carriers as small polarons using a hybrid density functional. We find that the small polaron hopping is the charge transfer mechanism in Ta2 O5, whereas our calculations indicate that this mechanism may not occur in TaON and Ta3 N5 . We also investigated the bandlike model mechanism by calculating the charge carrier mobility of these materials using the effective mass approximation, but the calculated mobility is not consistent with experimental results. This study is a first step towards understanding charge transport in oxynitrides and nitrides and furthermore establishes a simple rule to determine whether a small polaron occurs in a material.

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