已知小极化子（SP）存在于大多数重要的过渡金属氧化物（TMO）中;然而，小极化子形成的性质仍然是谜，并且对SP如何影响这些材料的固有电子结构和光学性质的基本理解在很大程度上缺乏。在这项工作中，我们采用第一性原理计算研究SP形成在Co $_{3}$ O $_{4}$，一个非常有前途的材料，为广泛的新兴能源应用，我们解决了相互矛盾的结果，已报告的电子结构的系统。我们确认，本征带隙的Co $_{3}$ O $_{4}$是1.6 eV，我们表明，形成的空穴小极化子显着影响的光吸收光谱，导致0.8 eV的过渡，经常被误解为定义的基本间隙的带边。此外，我们还讨论了如何利用单轴应变来探测SP态的Jahn-Teller畸变，进而影响它们的光学跃迁。除了Co $_{3}$ O $_{4}$，我们的研究提出了一个通用的路线图，建立第一性原理计算方法，可以同时实现SP状态，电子能带结构和光学跃迁的极化磁性氧化物的准确描述。
英文摘要：
Small polarons (SPs) are known to exist in most important transition metal oxides (TMOs); however, the nature of small polaron formation remains enigmatic, and a fundamental understanding of how SPs impact the intrinsic electronic structure and optical properties of these materials is largely lacking. In this work, we employ first-principles calculations to investigate SP formation in Co$_{3}$O$_{4}$, a highly promising material for a wide range of emerging energy applications, and we resolve the conflicting findings that have been reported on the electronic structure of the system. We confirm that the intrinsic band gap of Co$_{3}$O$_{4}$ is 1.6 eV, and we show that the formation of hole small polarons significantly influences the optical absorption spectra, leading to a 0.8 eV transition that is often misinterpreted as the band edge that defines the fundamental gap. In addition, we discuss how uniaxial strain can be utilized to probe the Jahn-Teller distortion of SP states and in turn, effect their optical transitions. Beyond Co$_{3}$O$_{4}$, our study suggests a general roadmap for establishing a first-principles computational approach that can simultaneously achieve an accurate description of SP states, electronic band structure and optical transitions of polaronic magnetic oxides.
Mobile Small Polarons Explain Conductivity in Lithium Titanium Oxide Battery Electrodes
锂钛氧化物Li $_4$ Ti $_5$ O $_{12}$（LTO）是一种有趣的阳极材料，由于其在电池充电（放电）期间显著的相稳定性，因此特别有希望成为长寿命电池。然而，它的使用受到其低固有电子电导率的限制。引入氧空位可以是克服该缺点的一种方法，可能通过改变载流子传输机制。我们使用Hubbard修正的密度泛函理论（DFT+U）表明，极化子状态结合可能的跳跃机制可以发挥至关重要的作用，在实验观察到的电子电导率的增加。为了衡量极化子电荷迁移率，我们计算了不同的本地化模式的相对稳定性和估计极化子跳跃势垒高度。有了这个，我们最终展示了缺陷工程如何确实可以提高LTO的电子电导率的水平，其离子电导率，从而解释了第一个实验结果减少LTO。
Comment on ``Conduction states in oxide perovskites: Three manifestations of Ti$^{3 +}$ Jahn-Teller polarons in barium titanate''
在这篇评论中，[S。伦耶尔岛F. Schirmer，H. Hesse和Th. W. Kool，Phys. Rev. B { \bf 66}，165106（2002）]讨论了钙钛矿中氧空位的电子结构。第一原理计算支持这些空位中的深能级，而Lenjer等人认为电子的相互作用能是负的，但电导率的数据则相反。
A polaron cloud of correlated electron states in ceria
本文采用从头算单电子理论和多体物理相结合的方法研究了氧化铈的电子结构，重点研究了铈离子4f电子层的性质。我们建议使用的杂交功能作为一个方便的措施，该材料的4f壳的本地化程度，并观察到，改变氧化态的4f壳和配体状态之间的杂交的明显变化。该理论揭示了CeO $_2$具有基本上巡回的4f态，并且在氧化铈的最少氧化形式Ce $_2$ O $_3$中，4f态几乎（但不是完全）局域化。最重要的是，我们的模型指出，在氧化铈中的氧空位的扩散可以被看作是极化子跳跃，涉及相关的4f电子云，这是主要位于周围的空位的原子壳的Ce离子。
Universidad Politécnica de Madrid（马德里理工大学）；Université Côte d'Azur, CNRS, CRHEA（蔚蓝海岸大学，法国国家科学研究中心，高能物理与应用研究中心）；Institute for Quantum Electronics, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院量子电子研究所）；Center for Nanoscience and Nanotechnology, Univ. Paris-Sud, University Paris Saclay（巴黎南大学纳米科学技术中心，巴黎萨克雷大学）
Proton polarons in HxWO3 by synchrotron photoemission and DFT modelling
用X射线光电子能谱学测量氢引起的过渡金属氧化物电子结构的变化是一项具有挑战性的工作，因为光电子的起源不能明确地归属于氢。氢引起的三氧化钨电子结构的变化已经知道了100多年，但仍然是有争议的争论。争论的根源在于难以将氢化的影响与缺氧的影响分开。使用膜的方法X-射线光电子能谱学，结合可调同步辐射，我们同时测量核心水平和价带高达1000毫巴的氢压力。在氢化时，W $^{5+}$芯能级和接近费米能级的状态的强度遵循体相H $_x$ WO $_3$的压力-组成等温线而增加。结合实验数据和密度泛函理论，证实了质子极化子模型对氢致色的描述。虽然氢是费米边缘附近的电子结构变化的起源，但价带边缘现在由钨轨道而不是氧主导，这与原始氧化物的情况一样，原始氧化物具有作为（光电化学）催化剂的更广泛的应用。
Polarity and anti-distortive polarons in WO3 through epitaxial shear strain
Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen（格罗宁根大学泽尔尼克先进材料研究所）；Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron), University of Groningen（格罗宁根大学格罗宁根认知系统与材料中心）；Department of Earth Sciences, University of Cambridge（剑桥大学地球科学系）；MESA+ Institute for Nanotechnology, University of Twente（特温特大学MESA+纳米技术研究所）；Center for Nanophase Materials Sciences, Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室纳米材料科学中心）；Faculty of Physics, University of Duisburg-Essen（杜伊斯堡-埃森大学物理学院）；Research Center Future Energy Materials and Systems (RC FEMS), Research Alliance Ruhr（鲁尔研究联盟未来能源材料与系统研究中心）
State Key Laboratory of Silicon and Advanced Semiconductor Materials and Center of Electron Microscopy, School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University（浙江大学材料科学与工程学院）；Yusuf Hamied Department of Chemistry, University of Cambridge（剑桥大学化学系）；Institute of Fundamental and Transdisciplinary Research, Zhejiang University（浙江大学基础与交叉研究院）；Zhejiang Key Laboratory of Low-Carbon Synthesis of Value-Added Chemicals（斯科尔科沃科学技术研究所）；Skolkovo Institute of Science and Technology
Limitations of In$_2$O$_3$ as a transparent conducting oxide
Sn掺杂的In $_2$ O $_3$或ITO是最广泛使用的透明导电氧化物。我们使用第一性原理计算来研究由于声子或带电缺陷介导的自由载流子吸收对其透明性的限制。我们发现，声子辅助的间接吸收的主要贡献是由于发射（而不是吸收）的声子，这解释了为什么该过程是相对不敏感的温度。这种间接吸收过程的波长依赖性可以用幂律来描述。由带电缺陷或杂质介导的间接吸收也是不可避免的，因为需要掺杂以获得导电性。在高载流子浓度下，通过自由载流子的筛选变得重要。我们发现当杂质浓度大于10 $^{20}$ cm $^{-3}$时，带电杂质辅助吸收大于声子辅助吸收。这两个过程的光子能量依赖性的差异可以通过能带结构效应来解释。
Designing heavy metal oxide glasses with threshold properties from network rigidity
在这里，我们表明，一类新的玻璃组成的重金属氧化物，涉及过渡金属（V $_\text {2}$ O $_\text{}$ 5-TeO $_\text{2}$），可以令人惊讶地设计从非常基本的工具，使用拓扑结构和刚性的基础分子网络。当作为组合物的函数进行研究时，这种玻璃在Tg下显示网络堆积和松弛焓的突然变化，强调存在柔性到刚性弹性相变。我们发现，这些弹性相是完全一致的极化性质的电子电导率在高V $_\text{2}$ O $_\text{5}$内容。这些观察结果对于设计不同于仅具有移动离子作为载流子的传统无定形电解质的电子玻璃具有新的意义。
Effect of Defects on the Small Polaron Formation and Transport Properties of Hematite from First-Principles Calculations
赤铁矿（$α$ $_2$ O $_3$）由于其对可见光吸收有利的带隙、其在水性环境中的稳定性以及与其他有前景的材料相比其相对低的成本而成为用于太阳能到燃料转换的光阳极材料的有希望的候选者。然而，$α$ $_2$ O $_3$中的小极化子输运性质导致低载流子迁移率和电导率，显著降低了其理论极限的效率.在实验上，已经发现，将氧空位和其他掺杂剂（例如Sn）并入材料中明显地提高了其光电流效率。然而，没有定量的解释已经提供了理解的作用，氧空位或锡掺杂的赤铁矿。采用密度泛函理论研究了贫氧、掺氮和掺锡的赤铁矿中小极化子的形成。我们计算了带电缺陷形成能、小极化子形成能和跳跃激活能，以了解缺陷对载流子浓度和迁移率的影响。这项工作为我们提供了关于缺陷对赤铁矿中小极化子形成和输运性质的作用的基本理解，为新掺杂剂的设计提供了关键见解，以进一步提高过渡金属氧化物的太阳能-燃料转换效率。
Long-lived, pulse-induced absorption in $\mathrm{LiNb}_{1-x}\mathrm{Ta}_x\mathrm{O}_3$ solid solutions: the case of three intrinsic defect sites for electron localization with strong coupling
