Polarony v pokročilých materiálech

• Thesis title in Czech: Polarony v pokročilých materiálech
• Thesis title in English: Polarons in complex materials
• Academic year of topic announcement: 2023/2024
• Thesis type: dissertation
• Department: Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP)
• Supervisor: doc. Mgr. Martin Setvín, Ph.D.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 07.09.2023
• Date of assignment: 07.09.2023
• Confirmed by Study dept. on: 27.09.2023

Guidelines

Na elektrony a díry v polovodičích lze v klasickém pohledu pohlížet jako na delokalizované rovinné vlny. V iontových mřížkách dochází k částečné nebo úplné lokalizaci těchto nosičů náboje, jako důsledek silné elektrostatické interakce s krystalickou mřížkou. Výsledné kvazičástice se nazývají polarony [1] a mají dalekosáhlý efekt na vlastnosti materiálů a jejich použití v aplikacích. Polarony mohou například zpomalovat přenos náboje a znemožnit použití materiálu ve fotokatalýze nebo elektrokatalýze. Na druhou strnu, polarony jsou zodpovědné za řadu exotických vlastností materiálů, jako například kolosální magnetoresistence nebo vysokoteplotní supravodivost.
Tato disertace je zaměřena na vytvoření metodologie pro zobrazení a sledování jednotlivých polaronů v reálném prostoru. Navržený přístup se liší od předchozích prací, kdy byly existence a vlastnosti polaronů vždy odvozeny z měření makroskopických vlastností materiálů. Hlavní experimentální technikou bude kombinovaná rastrovací tunelová mikroskopie/mikroskopie atomárních sil (STM/AFM) [2], která v principu umožňuje detekci jednotlivých polaronů na základě jejich elektrostatické interakce. Schopnost sledovat trajektorii jednotlivých polaronů by umožnila získání kompletní informace o těchto kvazičásticích. Cílem disertace je pochopení základních vlastností polaronů i jejich vliv na elektronické a chemické vlastnosti povrchů [3,4]. Experimentální práce bude zaměřena zejména na povrchy oxidů kovů.

References

[1] C. Franchini, M. Reticcioli, M. Setvin, U. Diebold, Polarons in Materials, Nature Reviews Materials 6, 560 (2021)
[2] F. J. Giessibl, The qPlus sensor, a powerful core for the atomic force microscope, Rev. Sci. Instr. 90, 011101 (2019)
[3] M. Setvin, J. Hulva, G. S. Parkinson, M. Schmid, U. Diebold, Electron transfer between anatase TiO2 and an O2 molecule directly observed by atomic force microscopy, PNAS 114, E2556 (2017)
[4] Z. Wang et al., Surface chemistry on a polarizable surface: Coupling of CO with KTaO3(001), Science Advances 8, eabq1433 (2022)

Preliminary scope of work in English

From a classical point of view, electrons and holes added to a semiconductor behave as delocalized plane waves. In ionic lattices, strong electrostatic interactions result in a spatial confinement of the charge carrier or its complete localization. The resulting quasiparticle is called a polaron [1] and it has wide impact on applications. It can slow down charge transport and spoil the efficiency of photocatalytic or electrocatalytic devices. On the other hand, polarons stand behind exotic materials properties such as the colossal magnetoresistance or high-temperature superconductivity.
The focus of this Thesis is to develop a methodology for imaging and tracking polarons in real space. This approach is fundamentally novel: Other works always investigate polarons indirectly through the macroscopic materials properties. The combined scanning tunnelling microscopy/atomic force microscopy (STM/AFM) [2] technique principally allows the detection of a single polaron in real space, thanks to measuring its electrostatic forces. A possible ability to track such a polaron would allow obtaining full information about this quasiparticle. This Thesis is focused on investigating fundamental properties of polarons, as well as their influence on electronic properties and surface chemistry [3,4]. The experimental efforts will be mainly focused on surfaces of metal oxides.