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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2504.02054v1 (cond-mat)
[提交于 2025年4月2日 (此版本) , 最新版本 2025年6月18日 (v2) ]

标题: 脱钠态Na$_{2}$Mn$_3$O$_7$中的Grotthuss型氧空位极化子输运

标题: Grotthuss-type oxygen hole polaron transport in desodiated Na$_{2}$Mn$_3$O$_7$

Authors:Ming Lei, Iwnetim I. Abate
摘要: 极化子是在极化材料中电子或空穴与离子振动耦合而产生的准粒子。通常,它们要么局限在单个原子位点上,要么分散在多个位点上。然而,在Na$_{2}$Mn$_{3}$O$_{7}$脱 sodiation 后,我们识别出了一种罕见的分裂空穴极化子,其中单个空穴分布在两个相邻的氧原子之间,而不是完全局限或分散。 我们提出了一个密度泛函理论(DFT)研究,探讨了这些氧空穴极化子在NaMn$_{3}$O$_{7}$和Na$_{1.5}$Mn$_{3}$O$_{7}$中的迁移和传输特性。我们的计算揭示,在钠空位附近,分裂极化子构型是基态,而局域化极化子则作为过渡态。迁移通过沿$b$轴逐步电荷转移机制发生,在此过程中分裂空穴极化子通过局域化空穴态进行转变。这种传输行为与Grotthuss机制非常相似,该机制描述了H$_{2}$O中的质子传输。 我们计算了极化子的迁移率,表示为 $\mu$ = 1.37 $\times$ 10$^{-5}$ cm$^2$/(V$\cdot$s),能量势垒为 242 meV。 利用Mulliken-Hush理论,我们确定电子耦合参数 $V_{AB}$ = 0.87 eV。 在 Na$_{1.5}$Mn$_{3}$O$_{7}$中观察到类似的迁移机制,分裂极化子在这种情况下比局域态更加稳定。 本研究首次对分裂空穴极化子的迁移进行了理论探索,为具有广泛功能材料(包括电池正极、热电材料、光催化剂以及下一代光电设备)中的奇异极化子物种的电荷传输提供了新的见解。
摘要: Polarons are quasiparticles that arise from the coupling of electrons or holes with ionic vibrations in polarizable materials. Typically, they are either localized at a single atomic site or delocalized over multiple sites. However, after the desodiation of Na$_{2}$Mn$_{3}$O$_{7}$, we identify a rare split-hole polaron, where a single hole is shared between two adjacent oxygen atoms rather than fully localized or delocalized. We present a density functional theory (DFT) study on the migration and transport properties of these oxygen hole polarons in NaMn$_{3}$O$_{7}$ and Na$_{1.5}$Mn$_{3}$O$_{7}$. Our calculations reveal that the split polaron configuration near a sodium vacancy is the ground state, while the localized polaron acts as the transition state. Migration occurs via a stepwise charge transfer mechanism along the $b$-axis, where the split-hole polaron transitions through a localized hole state. This transport behavior closely resembles the Grotthuss mechanism, which describes proton transport in H$_{2}$O. We compute the polaron mobility as $\mu$ = 1.37 $\times$ 10$^{-5}$ cm$^2$/(V$\cdot$s) with an energy barrier of 242 meV. Using the Mulliken-Hush theory, we determine the electronic coupling parameter $V_{AB}$ = 0.87 eV. A similar migration mechanism is observed in Na$_{1.5}$Mn$_{3}$O$_{7}$, where the split polaron remains more stable than in the localized state. This study provides the first theoretical investigation of split-hole polaron migration, offering new insights into the charge transport of exotic polaronic species in materials with implications for a wide range of functional materials including battery cathodes, thermoelectrics, photocatalysts, and next-generation optoelectronic devices.
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:2504.02054 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2504.02054v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2504.02054
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Ming Lei [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 4 月 2 日 18:31:07 UTC (40,336 KB)
[v2] 星期三, 2025 年 6 月 18 日 00:09:56 UTC (30,036 KB)
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