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Bibliographic Metadata

  • Title
    III-V surface physics for photoelectrochemical water splitting / Isaac Azahel Ruiz Alvarado ; Promotionskommission Vorsitzender: Prof. Dr. Donat As (Optoelectronic semiconductors – Group III-nitrides Department Physik – Universität Paderborn), Gutachter: Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt (Theoretical Materials Physics Department Physik – Universität Paderborn), Gutachter: Prof. Dr. Friedhelm Bechstedt (Institut für Festkörpertheorie und Optik – Friedrich-Schiller-Universität Jena), Vertreter des Mittelbaus: Dr. Tobias Henksmeier (Optoelectronic materials and devices Department Physik – Universität Paderborn)
  • Author
    Ruiz Alvarado, Isaac Azahel
  • Degree supervisor
    As, Donat ; Schmidt, W. Gero ; Bechstedt, Friedhelm ; Henksmeier, Tobias
  • Published
    Paderborn, 2025
  • Description
    1 Online-Ressource (134 Seiten) Illustrationen, Diagramme
  • Institutional Note
    Universität Paderborn, Dissertation, 2025
  • Annotation
    Tag der Verteidigung: 09.04.2025
  • Defended on
    2025-04-09
  • Language
    English
  • Document Types
    Dissertation (PhD)
  • Keywords (GND)
    Paderborn
  • URN
    urn:nbn:de:hbz:466:2-54742 
  • DOI
    10.17619/UNIPB/1-2262 
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Zusammenfassung
  • InP und AlInP werden aufgrund ihrer herausragenden elektronischen und optischen Eigenschaften in zahlreichen Anwendungen genutzt. Insbesondere zeigen beide Materialien großes Potenzial für die photoelektrochemische Wasserspaltung. Die Effizienz sowie die Haltbarkeit der Elektroden werden jedoch durch Korrosion stark beeinträchtigt. Um die Leistungsfähigkeit der Systeme zu verbessern, ist es notwendig, nicht nur den Oxidationsprozess der Oberflächen, sondern auch den Mechanismus der Wasserspaltung an der Grenzfläche zwischen Wasser und Halbleiter zu verstehen. In dieser Arbeit werden die elektronischen Eigenschaften oxidierter Al/In-reicher AlInP- und InP-Oberflächen mithilfe von Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen untersucht. Die Sauerstoff- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen für die Wasserspaltung auf der In-reichen InP-Oberfläche werden analysiert. Die absoluten Positionen der Leitungs- und Valenzbänder werden in Bezug auf die Redoxpotentiale der Wasserspaltung unter Verwendung hybrider Funktionale berechnet. Für die P-reiche InP-Oberfläche werden H-Defekte als mögliche Ursache der experimentell beobachteten starken Bandverbiegung untersucht. Zudem wird berechnet, wie H-Vakanzen mit Wassermolekülen wechselwirken. Schließlich werden Reflexionsanisotropiespektren (RAS) für verschiedene AlInP(001)-Oberflächen durch Lösung der Bethe-Salpeter-Gleichung berechnet. Die Ursprünge der spektralen Signaturen werden analysiert und spezifischen Oberflächenmotiven zugeordnet.
Abstract
  • InP and AlInP are used extensively in numerous technological applications, in grand part due to their astounding electronic and optical properties. In particular both materials are used show promise in solar-powered photoelectrochemical water splitting devices. These devices are often limited by factors like corrosion that hinder the water-splitting reaction. In order to increase the efficiencies of these devices it is necessary to understand not only how the surfaces of the semiconductors oxidize but also how the water-splitting mechanism takes place in the water/surface interface. In this work the electronic properties of oxidized Al/In-rich AlInP and InP surfaces are investigated from density functional theory (DFT) calculations. Oxygen evolution and hydrogen reduction reactions are investigated for the water splitting mechanism on top of the In-rich InP surface. The absolute position of the conduction and valence bands are calculated in respect to the water evolution and reduction potentials utilizing hybrid functionals. For the P-rich InP surface H defects are looked into as the origin behind experimentally observed strong band bending. How the H vacancy interacts with water molecules is also computed. Finally the reflectance anisotropy spectroscopy (RAS) is calculated for different AlInP(001) surfaces by solving the Bethe-Salpeter equation. The origin behind the spectra fingerprints is explored and assigned to specific surface motifs.
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