Multidimensional scanning probe microscopy applications for optoelectronic charge carrier characterizations of metal oxides

Guner, Bugrahan (2025). Multidimensional scanning probe microscopy applications for optoelectronic charge carrier characterizations of metal oxides. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Characterization and optimization of charge carriers (e.g., electrons, holes, ions, vacancies, etc.) feature in renewable energy sample systems (particularly metal oxides, i.e., MOs) heavily rely on the right physical scale (i.e., submicrosecond time resolution and nanometer scale distance resolution) measurement techniques and correct methodologies. Advanced scanning probe microscopy (SPM) techniques like time-resolved atomic force microscopy (tr-AFM) and its unique/customized variants are utilized to reveal migration tendencies and characteristics of these carriers. In this work, customized AFM setups and measurement techniques are used to quantitatively reveal electronic properties of metal oxides, like contact potential differences, charge carrier dynamics, etc., to optimize the lifetime of MO-based systems. Particularly, the charge carrier migration properties of metal oxides (e.g., TiO2) for their photocatalytic tendencies through defect engineering activities and surface characterizations play a significant role in these systems. Sample system properties are investigated from multiple dimensions, where temperature, location, and time are the main variables. Photoinduced surface oxygen vacancies introduced with ultraviolet surface irradiation played a key role in the alteration of the charge carrier dynamics in MO systems. Additionally, external stimuli (e.g., ultraviolet irradiation, voltage pulses, etc.), surface agents (e.g., methanol) and different interfaces (e.g., Au-TiO2) were explored to extend the investigation of key charge carrier dynamics features like mobilities, time constants, activation energies, migration barriers, distance and/or history dependencies.

Titre traduit

Applications de la microscopie à sonde de balayage multidimensionnelle pour la caractérisation des porteurs de charge optoélectroniques dans les oxydes métalliques

Résumé traduit

La caractérisation et l'optimisation des porteurs de charge (par exemple, électrons, trous, ions, lacunes, etc.) dans des systèmes échantillons liés aux énergies renouvelables (en particulier les oxydes métalliques, c’est-à-dire les MOs) dépendent fortement de techniques de mesure adaptées à la bonne échelle physique (c’est-à-dire une résolution temporelle submicroseconde et une résolution spatiale à l’échelle nanométrique) ainsi que de méthodologies appropriées. Des techniques avancées de microscopie à sonde de balayage (SPM), telles que la microscopie à force atomique résolue en temps (tr-AFM) et ses variantes uniques/personnalisées, sont utilisées pour révéler les tendances de migration et les caractéristiques de ces porteurs en fonction de diverses conditions. Dans ce travail, des configurations AFM personnalisées et des techniques de mesure spécifiques sont utilisées pour révéler quantitativement les propriétés électroniques des oxydes métalliques, telles que les différences de potentiel de contact (CPD), la dynamique des porteurs de charge, etc., dans le but d’optimiser la durée de vie des systèmes à base de MOs. En particulier, les propriétés de migration des porteurs de charge dans les oxydes métalliques (par exemple, TiO₂) en lien avec leurs tendances photocatalytiques, via des activités d’ingénierie des défauts et des caractérisations de surface, jouent un rôle crucial dans ces systèmes. Les propriétés des systèmes échantillons sont examinées sous plusieurs dimensions, où la température, l’emplacement et le temps constituent les axes principaux. Les lacunes d’oxygène induites par la lumière (PI-SOVs) créées par irradiation UV de surface jouent un rôle clé dans la modification de la dynamique des porteurs de charge dans les systèmes à base de MOs. En outre, les stimuli externes (par exemple, irradiation UV, impulsions de tension, etc.), les agents de surface (par exemple, le méthanol) et les interfaces diverses (par exemple, Au-TiO₂) ont été étudiés en détail afin d’approfondir l’analyse des caractéristiques clés de la dynamique des porteurs de charge telles que la mobilité, les constantes de temps, les énergies d’activation, les barrières de migration, ainsi que les dépendances spatiales et/ou historiques.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Article-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor in philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 153-179).
Mots-clés libres:	microscopie à sonde de balayage (SPM), Microscopie à force atomique résolue en temps (tr-AFM), personnalisation des systèmes, différence de potentiel de contact (CPD), dynamique des porteurs de charge, lacunes d’oxygène de surface photoinduites (PI-SOVs), mobilité des porteurs de charge, barrières de migration
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Dagdeviren, Omur
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	18 août 2025 14:08
Dernière modification:	18 août 2025 14:08
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3667

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