Suppressing Phase Transitions and High-Pressure Amorphization through Tethered Organic Cations in Organochalcogenide-Halide Perovskites

化学 卤化物 相(物质) 相变 高压 化学物理 无机化学 结晶学 化学工程 有机化学 热力学 物理 工程类
作者
Jiayi Li,J. Hofmann,Robert M. Stolz,Jiajia Wen,Christina R. Deschene,Hannah Bartels,Zhenxian Liu,Alberto Salleo,Yu Lin,Karena W. Chapman,Hemamala I. Karunadasa
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03696
摘要

Polymorphism, where the same composition adopts different structures, is abundant in perovskites, with numerous phase transitions occurring as a function of temperature and pressure. The APbX3 perovskites (A = monovalent cation; X = Cl-, Br-, I-) show such phase transitions near ambient conditions, significantly impacting their optoelectronic device performance and stability. Herein, we show that the recently reported organochalcogenide-halide perovskites (RCh)PbX2 (RCh = +NH3(CH2)2S-, +NH3(CH2)2Se-; X = Cl-, Br-) featuring an organic A-site cation that is covalently linked to the inorganic framework, show no phase transitions with temperature from 4 to 423 K and with pressure from 0 to 40 GPa. Furthermore, the RCh-perovskites remain crystalline even at 40 GPa, in striking contrast to AMX3 (M = Pb, Sn) perovskites that rapidly become amorphous at pressures above ca. 5 GPa. By alloying RCh or the similar-sized ethylammonium as impurities into a (CH3NH3)PbBr3 host, we find that the enhanced phase integrity of the RCh-perovskites may be attributed mostly to the covalent attachment of the A-site cation, which impedes octahedral tilting, a primary avenue for phase transitions. We also track the rotational isomerization of the RCh ligands with pressure, finding that the trans-to-gauche isomerization enables a shrinking A-site cavity volume, without drastic changes to the inorganic framework. Unlike the dynamic disorder seen in hybrid perovskite A-site cations, this static rotational isomerism appears to be unaffected by temperature from 93 to 373 K. The exceptional structural integrity of the RCh-perovskites motivates the design of similar strategies to impede phase transitions in technologically important perovskite compositions.

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