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.
Annotation in English
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.
electron paramagnetic resonance spectroscopy, low-dimensional materials, photolytic water decomposition, hydrogen evolution,TiO2 photocatalyst, nitrogen-doped graphene, spintronics
Length of the covering note
119
Language
AN
Annotation
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.
Annotation in English
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.
electron paramagnetic resonance spectroscopy, low-dimensional materials, photolytic water decomposition, hydrogen evolution,TiO2 photocatalyst, nitrogen-doped graphene, spintronics
Research Plan
1.Seznámit se s klasifikací a základními fyzikálně-chemickými vlastnostmi uhlíkových (nano)alotropů.
2.Seznámit se způsoby indukce magnetického chování u uhlíkových (nano)alotropů (defekty vakance, substituované atomy, adice atomů, funkcionalizace)
3.Seznámit se s teoretickými metodami simulace magnetického chování u sp (nano)materiálů.
4.Provést numerickou studii zaměřenou na ohodnocení vlivu jednotlivých poruch (defektů) na magnetické chování sp (nano)materiálů.
5.Provést experimentální studii v korelaci s výsledky numerických výpočtů
6.Vyhodnocení teoretických a experimentálních výsledků s výhledem na identifikaci vhodných poruch pro indukci magneticky uspořádaných stavů u sp (nano)materiálů.
Research Plan
1.Seznámit se s klasifikací a základními fyzikálně-chemickými vlastnostmi uhlíkových (nano)alotropů.
2.Seznámit se způsoby indukce magnetického chování u uhlíkových (nano)alotropů (defekty vakance, substituované atomy, adice atomů, funkcionalizace)
3.Seznámit se s teoretickými metodami simulace magnetického chování u sp (nano)materiálů.
4.Provést numerickou studii zaměřenou na ohodnocení vlivu jednotlivých poruch (defektů) na magnetické chování sp (nano)materiálů.
5.Provést experimentální studii v korelaci s výsledky numerických výpočtů
6.Vyhodnocení teoretických a experimentálních výsledků s výhledem na identifikaci vhodných poruch pro indukci magneticky uspořádaných stavů u sp (nano)materiálů.
Recommended resources
1. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666
2. Geim, A. K.; Novoselov, A. K. Nat. Mater. 2007, 6, 183.
3. Yazyev, O. V. Rep. Prog. Phys. 2010, 73, 056501.
4. Yazyev, O. V.; Helm, L. Phys. Rev. B 2007, 75, 125408.
5. Golor, M.; Wessel, S.; Schmidt, M. J. Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 046601
6. Georgakilas, V.; Perman, J. A.; Tucek, J.; Zboril, R. Chem. Rev. 2015, 115, 4744-4822.
7. příhodná další časopisecká literatura.
Recommended resources
1. Novoselov, K. S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V.; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V.; Firsov, A. A. Science 2004, 306, 666
2. Geim, A. K.; Novoselov, A. K. Nat. Mater. 2007, 6, 183.
3. Yazyev, O. V. Rep. Prog. Phys. 2010, 73, 056501.
4. Yazyev, O. V.; Helm, L. Phys. Rev. B 2007, 75, 125408.
5. Golor, M.; Wessel, S.; Schmidt, M. J. Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 046601
6. Georgakilas, V.; Perman, J. A.; Tucek, J.; Zboril, R. Chem. Rev. 2015, 115, 4744-4822.
7. příhodná další časopisecká literatura.