Papers
Topics
Authors
Recent
Gemini 2.5 Flash
Gemini 2.5 Flash
173 tokens/sec
GPT-4o
7 tokens/sec
Gemini 2.5 Pro Pro
46 tokens/sec
o3 Pro
4 tokens/sec
GPT-4.1 Pro
38 tokens/sec
DeepSeek R1 via Azure Pro
28 tokens/sec
2000 character limit reached

Dynamic Local Symmetry Fluctuations of Electron Density in Halide Perovskites (2404.11247v1)

Published 17 Apr 2024 in cond-mat.mtrl-sci, cond-mat.stat-mech, and physics.chem-ph

Abstract: Metal halide perovskites have emerged as an exciting class of materials for applications in solar energy harvesting, optical devices, catalysis, and other photophysical applications. Many of the exciting properties of halide perovskites are tied to their soft, dynamic, and anharmonic lattice. In particular, the precise coupling between anharmonic lattice dynamics and electronic fluctuations is not completely understood. To build an understanding of this coupling, we use ab initio molecular dynamics simulations supplemented by the calculation of maximally localized Wannier functions to carry out a dynamic group theory analysis of local electron density fluctuations and how these fluctuations are coupled to lattice fluctuations in the model inorganic halide perovskite CsSnBr3. We detail symmetry-dependent couplings between vibrational modes, including octahedral tilting. Importantly, we suggest that the large anharmonicity of some of the vibrational modes in CsSnBr3 result from electron rotation--nuclear translation coupling, in analogy to rotation--translation coupling effects in molecular plastic crystals. We also identify electronic fluctuations in the Cs cation that couple to distortions in the surrounding Sn-Br cubic coordination environment. We anticipate that our approach and resulting insights into electronic fluctuations will aid in further understanding the role of the fluctuating lattice in determining important physical properties of halide perovskites and beyond.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (68)
  1. G. Aeppli, A. V. Balatsky, H. M. Rønnow,  and N. A. Spaldin, “Hidden, entangled and resonating order,” Nature Reviews Materials 5, 477–479 (2020).
  2. S. Bhowal, S. P. Collins,  and N. A. Spaldin, “Hidden k-space magnetoelectric multipoles in nonmagnetic ferroelectrics,” Phys Rev Lett 128, 116402 (2022).
  3. S. Bhowal and N. A. Spaldin, “Ferroically ordered magnetic octupoles in d-wave altermagnets,” Physical Review X 14 (2024), 10.1103/PhysRevX.14.011019.
  4. A. E. Maughan, G. Koknat, P. C. Sercel, M. K. Jana, R. Brunecky, D. B. Mitzi, J. J. Berry, V. Blum,  and M. C. Beard, “Impact of chiral symmetry breaking on spin-texture and lone pair expression in chiral crystals of hybrid antimony and bismuth halides,” Chemistry of Materials 35, 9086–9101 (2023).
  5. V. Carnevali, S. Mukherjee, D. J. Voneshen, K. Maji, E. Guilmeau, A. V. Powell, P. Vaqueiro,  and M. Fornari, “Lone pair rotation and bond heterogeneity leading to ultralow thermal conductivity in aikinite,” Journal of the American Chemical Society 145, 9313–9325 (2023).
  6. G. Liu, Y.-Y. Lv, Z. Jiang, G.-Z. Liu, X. Zhou, Y. Zhang, J. Zheng, L. Xu, M.-H. Lu, S.-H. Yao, et al., “Mode-selective anharmonicity induced by lone-pair electrons in layered oxyselenides,” Physical Review B 109, 024302 (2024).
  7. A. D. Wright, C. Verdi, R. L. Milot, G. E. Eperon, M. A. Pérez-Osorio, H. J. Snaith, F. Giustino, M. B. Johnston,  and L. M. Herz, “Electron–phonon coupling in hybrid lead halide perovskites,” Nature Communications 7, 11755 (2016).
  8. X. Huang, X. Li, Y. Tao, S. Guo, J. Gu, H. Hong, Y. Yao, Y. Guan, Y. Gao, C. Li, X. Lü,  and Y. Fu, “Understanding electron–phonon interactions in 3d lead halide perovskites from the stereochemical expression of 6s2 lone pairs,” Journal of the American Chemical Society 144, 12247–12260 (2022).
  9. P. Chandra, P. Coleman,  and R. Flint, “Ising quasiparticles and hidden order in uru2si2,” Philosophical Magazine 94, 3803–3819 (2014).
  10. P. Chandra, P. Coleman,  and R. Flint, “Hastatic order in the heavy-fermion compound uru2si2,” Nature 493, 621–626 (2013).
  11. E. S. Božin, C. D. Malliakas, P. Souvatzis, T. Proffen, N. A. Spaldin, M. G. Kanatzidis,  and S. J. Billinge, “Entropically stabilized local dipole formation in lead chalcogenides,” Science 330, 1660–1663 (2010).
  12. K. M. Jensen, E. S. Božin, C. D. Malliakas, M. B. Stone, M. D. Lumsden, M. G. Kanatzidis, S. M. Shapiro,  and S. J. Billinge, “Lattice dynamics reveals a local symmetry breaking in the emergent dipole phase of pbte,” Physical Review B 86, 085313 (2012).
  13. B. Sangiorgio, E. S. Bozin, C. D. Malliakas, M. Fechner, A. Simonov, M. G. Kanatzidis, S. J. Billinge, N. A. Spaldin,  and T. Weber, “Correlated local dipoles in pbte,” Physical Review Materials 2, 085402 (2018).
  14. D. H. Fabini, R. Seshadri,  and M. G. Kanatzidis, “The underappreciated lone pair in halide perovskites underpins their unusual properties,” MRS Bulletin 45, 467–477 (2020).
  15. D. H. Fabini, G. Laurita, J. S. Bechtel, C. C. Stoumpos, H. A. Evans, A. G. Kontos, Y. S. Raptis, P. Falaras, A. Van der Ven, M. G. Kanatzidis,  and R. Seshadri, “Dynamic stereochemical activity of the sn2+ lone pair in perovskite cssnbr3,” Journal of the American Chemical Society 138, 11820–11832 (2016).
  16. G. Laurita and R. Seshadri, “Chemistry, structure, and function of lone pairs in extended solids,” Acc Chem Res 55, 1004–1014 (2022).
  17. G. Laurita, D. H. Fabini, C. C. Stoumpos, M. G. Kanatzidis,  and R. Seshadri, “Chemical tuning of dynamic cation off-centering in the cubic phases of hybrid tin and lead halide perovskites,” Chemical Science 8, 5628–5635 (2017).
  18. P. Vishnoi and C. N. R. Rao, “Temperature and pressure induced structural transitions of lead iodide perovskites,” J. Mater. Chem. A 12, 19–37 (2024).
  19. K. Miyata, T. L. Atallah,  and X.-Y. Zhu, “Lead halide perovskites: Crystal-liquid duality, phonon glass electron crystals, and large polaron formation,” Science Advances 3, e1701469 (2017).
  20. J. S. Manser, J. A. Christians,  and P. V. Kamat, “Intriguing optoelectronic properties of metal halide perovskites,” Chemical reviews 116, 12956–13008 (2016).
  21. A. K. Jena, A. Kulkarni,  and T. Miyasaka, “Halide perovskite photovoltaics: background, status, and future prospects,” Chemical reviews 119, 3036–3103 (2019).
  22. E. M. Mozur and J. R. Neilson, “Cation dynamics in hybrid halide perovskites,” Annual Review of Materials Research 51, 269–291 (2021).
  23. X. Zhu, Y. Lin, J. San Martin, Y. Sun, D. Zhu,  and Y. Yan, “Lead halide perovskites for photocatalytic organic synthesis,” Nature Communications 10, 2843 (2019).
  24. J. Yuan, H. Liu, S. Wang,  and X. Li, “How to apply metal halide perovskites to photocatalysis: challenges and development,” Nanoscale 13, 10281–10304 (2021).
  25. X.-G. Zhao, G. M. Dalpian, Z. Wang,  and A. Zunger, “Polymorphous nature of cubic halide perovskites,” Physical Review B 101, 155137 (2020).
  26. S. Maity, S. Verma, L. M. Ramaniah,  and V. Srinivasan, “Deciphering the nature of temperature-induced phases of mapbbr3 by ab initio molecular dynamics,” Chemistry of Materials 34, 10459–10469 (2022).
  27. Y. Rakita, S. R. Cohen, N. K. Kedem, G. Hodes,  and D. Cahen, “Mechanical properties of apbx3 (a = cs or ch3nh3; x = i or br) perovskite single crystals,” MRS Communications 5, 623–629 (2015).
  28. M. Dutta, K. Pal, M. Etter, U. V. Waghmare,  and K. Biswas, “Emphanisis in cubic (snse)0.5(agsbse2)0.5: Dynamical off-centering of anion leads to low thermal conductivity and high thermoelectric performance,” Journal of the American Chemical Society 143, 16839–16848 (2021).
  29. T. Ghosh, M. Dutta, D. Sarkar,  and K. Biswas, “Insights into low thermal conductivity in inorganic materials for thermoelectrics,” Journal of the American Chemical Society 144, 10099–10118 (2022).
  30. R. C. Remsing and M. L. Klein, “Lone pair rotational dynamics in solids,” Physical review letters 124, 066001 (2020a).
  31. R. C. Remsing and M. L. Klein, “A new perspective on lone pair dynamics in halide perovskites,” APL Materials 8 (2020b).
  32. R. Shi, A. S. Vasenko, R. Long,  and O. V. Prezhdo, “Edge influence on charge carrier localization and lifetime in ch3nh3pbbr3 perovskite: Ab initio quantum dynamics simulation,” The Journal of Physical Chemistry Letters 11, 9100–9109 (2020).
  33. M. A. Becker, R. Vaxenburg, G. Nedelcu, P. C. Sercel, A. Shabaev, M. J. Mehl, J. G. Michopoulos, S. G. Lambrakos, N. Bernstein, J. L. Lyons, et al., “Bright triplet excitons in caesium lead halide perovskites,” Nature 553, 189–193 (2018).
  34. M. W. Swift and J. L. Lyons, “Lone-pair stereochemistry induces ferroelectric distortion and the rashba effect in inorganic halide perovskites,” Chemistry of Materials 35, 9370–9377 (2023).
  35. L. Gao, L. Yadgarov, R. Sharma, R. Korobko, K. M. McCall, D. H. Fabini, C. C. Stoumpos, M. G. Kanatzidis, A. M. Rappe,  and O. Yaffe, “Metal cation s lone-pairs increase octahedral tilting instabilities in halide perovskites,” Materials Advances 2, 4610–4616 (2021).
  36. S. Caicedo-Dávila, A. Cohen, S. G. Motti, M. Isobe, K. M. McCall, M. V. Kovalenko, O. Yaffe, L. M. Herz, D. H. Fabini,  and D. A. Egger, “Disentangling the effects of structure and lone-pair electrons in the lattice dynamics of halide perovskites,” arXiv preprint arXiv:2310.03408  (2023).
  37. M. J. Schilcher, D. J. Abramovitch, M. Z. Mayers, L. Z. Tan, D. R. Reichman,  and D. A. Egger, “Correlated anharmonicity and dynamic disorder control carrier transport in halide perovskites,” Physical Review Materials 7, L081601 (2023).
  38. Y. Guo, O. Yaffe, T. D. Hull, J. S. Owen, D. R. Reichman,  and L. E. Brus, “Dynamic emission stokes shift and liquid-like dielectric solvation of band edge carriers in lead-halide perovskites,” Nature Communications 10, 1175 (2019).
  39. M. Z. Mayers, L. Z. Tan, D. A. Egger, A. M. Rappe,  and D. R. Reichman, “How lattice and charge fluctuations control carrier dynamics in halide perovskites,” Nano letters 18, 8041–8046 (2018).
  40. M. J. Schilcher, P. J. Robinson, D. J. Abramovitch, L. Z. Tan, A. M. Rappe, D. R. Reichman,  and D. A. Egger, “The significance of polarons and dynamic disorder in halide perovskites,” ACS Energy Letters 6, 2162–2173 (2021).
  41. Q. Tu, D. Kim, M. Shyikh,  and M. G. Kanatzidis, “Mechanics-coupled stability of metal-halide perovskites,” Matter 4, 2765–2809 (2021).
  42. T. D. Kuhne et al., ‘‘Cp2k: An electronic structure and molecular dynamics software package - quickstep: Efficient and accurate electronic structure calculations,” J Chem Phys 152, 194103 (2020).
  43. J. VandeVondele and J. Hutter, “Gaussian basis sets for accurate calculations on molecular systems in gas and condensed phases,” J Chem Phys 127, 114105 (2007).
  44. S. Goedecker, M. Teter,  and J. Hutter, “Separable dual-space gaussian pseudopotentials,” Phys Rev B Condens Matter 54, 1703–1710 (1996).
  45. J. P. Perdew, K. Burke,  and M. Ernzerhof, “Generalized gradient approximation made simple,” Phys Rev Lett 77, 3865–3868 (1996).
  46. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich,  and H. Krieg, “A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (dft-d) for the 94 elements h-pu,” J Chem Phys 132, 154104 (2010).
  47. P. C. Richard R. Lunt, Lili Wang,  (2018).
  48. N. Marzari, A. A. Mostofi, J. R. Yates, I. Souza,  and D. Vanderbilt, “Maximally localized wannier functions: Theory and applications,” Reviews of Modern Physics 84, 1419 (2012).
  49. G. Berghold, C. J. Mundy, A. H. Romero, J. Hutter,  and M. Parrinello, “General and efficient algorithms for obtaining maximally localized wannier functions,” Physical Review B 61, 10040–10048 (2000).
  50. A. Savin, R. Nesper, S. Wengert,  and T. F. Fässler, “Elf: The electron localization function,” Angewandte Chemie International Edition in English 36, 1808–1832 (1997).
  51. R. Lynden-Bell and K. Michel, “Translation-rotation coupling, phase transitions, and elastic phenomena in orientationally disordered crystals,” Reviews of modern physics 66, 721 (1994).
  52. K. H. Michel and K. Parlinski, “Symmetry properties, normal modes, and free energy of orientationally disordered crystals,” Phys Rev B Condens Matter 31, 1823–1835 (1985).
  53. A. Hüller and W. Press, “Critical scattering in solid cd4,” Physical Review Letters 29, 266–269 (1972).
  54. O. Yaffe, Y. Guo, L. Z. Tan, D. A. Egger, T. Hull, C. C. Stoumpos, F. Zheng, T. F. Heinz, L. Kronik, M. G. Kanatzidis, J. S. Owen, A. M. Rappe, M. A. Pimenta,  and L. E. Brus, “Local polar fluctuations in lead halide perovskite crystals,” Physical review letters 118, 136001 (2017).
  55. D. H. Fabini, K. Honasoge, A. Cohen, S. Bette, K. M. McCall, C. C. Stoumpos, S. Klenner, M. Zipkat, L. P. Hoang, J. Nuss, et al., “Noncollinear electric dipoles in a polar, chiral phase of cssnbr _⁢3_3\_3_ 3: Existence and limits of bulk rashba effects in perovskite halides,” arXiv preprint arXiv:2401.07978  (2024).
  56. A. N. Beecher, O. E. Semonin, J. M. Skelton, J. M. Frost, M. W. Terban, H. Zhai, A. Alatas, J. S. Owen, A. Walsh,  and S. J. Billinge, “Direct observation of dynamic symmetry breaking above room temperature in methylammonium lead iodide perovskite,” ACS energy Letters 1, 880–887 (2016).
  57. R. X. Yang, J. M. Skelton, E. L. Da Silva, J. M. Frost,  and A. Walsh, “Spontaneous octahedral tilting in the cubic inorganic cesium halide perovskites cssnx3 and cspbx3 (x= f, cl, br, i),” The journal of physical chemistry letters 8, 4720–4726 (2017).
  58. J. Wiktor, E. Fransson, D. Kubicki,  and P. Erhart, “Quantifying dynamic tilting in halide perovskites: Chemical trends and local correlations,” Chemistry of Materials 35, 6737–6744 (2023).
  59. X. Liang, J. Klarbring, W. J. Baldwin, Z. Li, G. Csányi,  and A. Walsh, “Structural dynamics descriptors for metal halide perovskites,” The Journal of Physical Chemistry C 127, 19141–19151 (2023).
  60. T. Lanigan-Atkins, X. He, M. Krogstad, D. Pajerowski, D. Abernathy, G. N. Xu, Z. Xu, D.-Y. Chung, M. Kanatzidis, S. Rosenkranz, et al., “Two-dimensional overdamped fluctuations of the soft perovskite lattice in cspbbr3,” Nature materials 20, 977–983 (2021).
  61. N. J. Weadock, T. C. Sterling, J. A. Vigil, A. Gold-Parker, I. C. Smith, B. Ahammed, M. J. Krogstad, F. Ye, D. Voneshen, P. M. Gehring, et al., “The nature of dynamic local order in ch3nh3pbi3 and ch3nh3pbbr3,” Joule 7, 1051–1066 (2023).
  62. F. Bridges, J. Gruzdas, C. MacKeen, K. Mayford, N. Weadock, V. U. Baltazar, Y. Rakita, L. Waquier, J. A. Vigil, H. I. Karunadasa, et al., “Local structure, bonding, and asymmetry of ((nh 2) 2 ch) pbbr 3, cspbbr 3, and (ch 3 nh 3) pbbr 3,” Physical Review B 108, 214102 (2023).
  63. J. W. Lee, S. Tan, S. I. Seok, Y. Yang,  and N. G. Park, “Rethinking the a cation in halide perovskites,” Science 375, eabj1186 (2022).
  64. L.-y. Huang and W. R. L. Lambrecht, “Electronic band structure, phonons, and exciton binding energies of halide perovskites cssncl3, cssnbr3, and cssni3,” Physical Review B 88 (2013), 10.1103/PhysRevB.88.165203.
  65. X. Zhu, S. Caicedo-Dávila, C. Gehrmann,  and D. A. Egger, “Probing the disorder inside the cubic unit cell of halide perovskites from first-principles,” ACS Applied Materials & Interfaces 14, 22973–22981 (2022).
  66. H. S. Dhattarwal, R. Somni,  and R. C. Remsing, “Electronic paddle-wheels in a solid-state electrolyte,” Nature communications 15, 121 (2024).
  67. M. Lai, A. Obliger, D. Lu, C. S. Kley, C. G. Bischak, Q. Kong, T. Lei, L. Dou, N. S. Ginsberg, D. T. Limmer,  and P. Yang, “Intrinsic anion diffusivity in lead halide perovskites is facilitated by a soft lattice,” Proceedings of the National Academy of Sciences 115, 11929–11934 (2018), https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.1812718115 .
  68. K. Dey, D. Ghosh, M. Pilot, S. R. Pering, B. Roose, P. Deswal, S. P. Senanayak, P. J. Cameron, M. S. Islam,  and S. D. Stranks, “Substitution of lead with tin suppresses ionic transport in halide perovskite optoelectronics,” Energy & Environmental Science 17, 760–769 (2024).
Citations (2)
View on Semantic Scholar

Summary

We haven't generated a summary for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Summarize Now
X Twitter Logo Streamline Icon: https://streamlinehq.com

Tweets