Eminent Role of Electron Paramagnetic Resonance for the Analysis of Spin Systems in Modern Low-Dimensional Materials

Bc. Zdeněk BAĎURA

Doctoral thesis

Theoretical aspects of modelling the magnetism of two-dimensional nanomaterials

Abstract:

The presented thesis focuses on the use of electron paramagnetic resonance spectroscopy in the study of modern low-dimensional materials. In the theoretical part, this thesis aims to introduce the reader to the history and design of the different parts of the spectrometer. In addition, a strong emphasis is placed on physical principles, introducing the reader to Zeeman splitting, spin-orbit interaction, and hyperfine splitting, which are fundamental to understanding electron paramagnetic resonance. The second part of the thesis discusses experimental findings, focusing on the selected case studies where electron paramagnetic resonance played an eminent role in elucidating the observed behaviour. In particular, (i) it is analyzed in detail the photolytic water decomposition and hydrogen evolution using reduced TiO2 as a photocatalyst, where we clarified the different formation of photoinduced states in materials with different degrees of reduction; (ii) the interplay of factors such as material's metastability, catalyst's self-activation and spin rearrangements for effective hydrogen evolution reaction in the model system Ni+/TiO2/Ti3+ photocatalyst; (iii) lastly, we introduce a new concept of nitrogen-doped graphene for possible use in spintronics as a microwave field controlled spin switch.

Abstract:

Předkládaná práce se zaměřuje na využití elektronové paramagnetické rezonanční spektroskopie při studiu moderních nízko-dimenzionálních materiálů. V teoretické části si tato práce klade za cíl seznámit čtenáře s historií a konstrukcí jednotlivých částí spektrometru. Kromě toho je kladen velký důraz na fyzikální principy a čtenář je seznámen se Zeemanovým štěpením, spin-orbitální interakcí a hyperjemným štěpením, které jsou zásadní pro pochopení elektronové paramagnetické rezonance. Druhá část práce pojednává o experimentálních poznatcích a zaměřuje se na vybrané případové studie, v nichž elektronová paramagnetická rezonance hrála významnou roli při objasňování pozorovaných jevů. Konkrétně (i) je podrobně analyzován fotolytické štepení vody a vývin vodíku s využitím redukovaného TiO2 jako fotokatalyzátoru, kde jsme objasnili rozdílný vznik otoindukovaných stavů v materiálech s různým stupněm redukce; (ii) souhru faktorů, jako je metastabilita materiálu, sebeaktivace katalyzátoru a spinové přeskupení pro účinnou reakci evoluce vodíku v modelovém systému fotokatalyzátoru Ni+/TiO2/Ti3+; (iii) nakonec jsme představili nový koncept dusíkem dopovaného grafenu pro možné využití ve spintronice jako spinového přepínače řízeného mikrovlnným polem.

Keywords

elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie, nízko-dimenzionální materiály, fotolytický rozklad vody, vývin vodíku, fotokatalyzátor TiO2, grafen dopovaný dusíkem, spintronika.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 1. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Libor Machala, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Applied Physics