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Defect- and Geometry-Controlled Fermi-Level Dynamics in TiO2

  • Mohammad Safikhani-Mahmoudi
  • , Nuray Basaran
  • , Bugrahan Guner
  • , Tugce Hacaloglu
  • , Omur E. Dagdeviren
  • École de technologie supérieure
  • Yale University

Résultats de recherche: Contribution à un journalArticle publié dans une revue, révisé par les pairsRevue par des pairs

Résumé

The Fermi level dictates charge distribution and redox activity, yet its dynamic evolution under illumination remains poorly resolved. Using Kelvin probe force microscopy, we map time-dependent Fermi-level shifts in a model sample system, a single-crystal TiO2, under front- and back-side ultraviolet irradiation at two-photon energies. High-energy ultraviolet irradiation lowers the surface Fermi level through the formation of persistent photoinduced surface oxygen vacancies, while low-energy ultraviolet irradiation induces only short-lived electron–hole generation with rapid surface recovery. Moreover, front-side irradiation yields a transient response, followed by a uniform surface modification, whereas back-side excitation produces slower, bulk-mediated shifts. In addition, gold nanoparticle decoration of the surface further modifies the Fermi-level kinetics through the Schottky barrier at the interface. By decoupling photon energy from illumination geometry, this work reveals the paired dynamics of carrier transport and defect-mediated formation that shape oxide energetics. These findings establish a foundation for Fermi-level engineering in photocatalysis, sensing, and optoelectronic applications.

langue originaleAnglais
Pages (de - à)9221-9227
Nombre de pages7
journalJournal of Physical Chemistry C
Volume130
Numéro de publication26
Les DOIs
étatPublié - 2 juil. 2026

Empreinte digitale

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