vai al contenuto della pagina vai al menu di navigazione
 

Quantum Surfaces: polaron quasiparticles interact with CO

The Computational Quantum Materials group (Prof. C. Franchini) in collaboration with the experimental surface science group at TU Wien has found that quantum effects play a decisive role in the adsorption of molecules on oxide surfaces. Results published in "Physical Review Letters" (Editor’s choice).
Coupling between carbon monoxide and polarons in the adsorption of CO on TiO2(110).

10.1103/PhysRevLett.122.016805

Linkshttps://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.016805

DIFA authors/Autori DIFA: Cesare Franchini, DIFA

 

Polaron formation plays a major role in determining the structural, electrical, and chemical properties of ionic crystals. Polarons are quantum quasiparticles formed by the coupling between excess carriers and phonons, and can be formed by the formation of oxygen vacanices in transition metal oxides. Using a combination of first-principles calculations (Density Functional Theory) and surface sensitive techniques (scanning tunneling microscopy, and atomic force microscopy) the authors of this study have analyzed the interaction of polarons with carbon monoxide (CO) molecules adsorbed on the reduced rutile TiO2(110) surface. Adsorbed CO shows attractive coupling with polarons in the surface layer, and repulsive interaction with polarons in the subsurface layer. As a result, CO adsorption depends on the reduction state of the sample. For slightly reduced surfaces, many adsorption configurations with comparable adsorption energies exist and polarons reside in the subsurface layer. At high oxygen vacancies concentration, two adsorption configurations dominate: either CO inside an oxygen vacancy, or CO at surface Ti sites, coupled with a surface polaron. Similar conclusions are predicted for TiO2(110) surfaces containing near-surface Ti interstitials. These results show that polarons are of primary importance for understanding the performance of polar semiconductors and transition metal oxides in catalysis and energy-related applications.

Superfici quantistiche: quasiparticelle polaroniche interagiscono con CO

Il gruppo di Materiali Quantistici Computazionali (Prof. C. Franchini) in collaborazione con il gruppo sperimentale di Scienza delle Superfici della TU Vienna ha mostrato che effetti quantistici ricoprono un ruolo importante nell'assorbimeto di molecole su superfici di ossidi

I polaroni ricoprono un ruolo decisivo nel determinare le proprieta' strutturali, elettroniche e chimiche dei cristalli ionici. I polaroni sono quasiparticelle formate dall'accoppiamento tra elettroni in eccesso e fononi e possono generarsi a causa della formazione di vacanze di ossigeno in ossidi di metalli di transizione. Usando una combinazione di conti a primi principi (Teoria del Funzionale Densita') e tecniche sperimentali di superfice (microscopia a effetto tunnele a microscopia a forza atomica), gli autori di questo studio hanno analizzato l'interazione di polaroni con il monossido di carbonio (CO) assorbito sulla superficie ridotta del rutile TiO2(110). Il CO mostra un interazione attrattiva con i polaroni localizzati sulla superfice, e un accoppiamento repulsivo con i polaroni situati nel piano sottosuperficiale. Come conseguenza, l'assorbimento di CO e fortemente dipendente dallo stato di riduzione della superficie. Per superfici a bassa riduzione (i.e. contenenti poche vacanze di ossigeno) si creano diverse configurazioni strutturali di assorbimento energeticamente degenri in cui i polaroni risiedono nel piano sottosuperficiale. Ad un elevata concentrazione di vacanze di ossigeno invece, si formano due configurazioni principali: CO assorbito nel sito di ossigeno vacante o direttamente su atomi di titanio superficiali, in entrambi i casi accoppiato con un polarone di superfice. Conclusioni simili sono state trovate sulla base di predizioni teoriche nel caso di titani interstiziali. Questi risultati indicano che i polaroni sono di fondamentale importanza per comprendere la performance di semiconduttori polari e ossidi di metalli di transizioni in processi di catalisi e in applicazioni per la conversione energetica.