Pressure-Engineered Structural and Optical Properties of Two-Dimensional (C 4 H 9 NH 3 ) 2 PbI 4 Perovskite Exfoliated nm-Thin Flakes

光致发光 钙钛矿(结构) 化学 带隙 粘结长度 相(物质) 卤化物 激子 结晶学 分子几何学 光电子学 凝聚态物理 晶体结构 材料科学 分子 无机化学 物理 有机化学
作者
Tingting Yin,Bo Liu,Jiaxu Yan,Yanan Fang,Minghua Chen,Wee Kiang Chong,Shaojie Jiang,Jer‐Lai Kuo,Jiye Fang,Pei Liang,Shuhuai Wei,Kian Ping Loh,Tze Chien Sum,Timothy John White,Zexiang Shen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (3): 1235-1241 被引量:139
标识
DOI:10.1021/jacs.8b07765
摘要

Resolving the structure–property relationships of two-dimensional (2D) organic–inorganic hybrid perovskites is essential for the development of photovoltaic and photoelectronic devices. Here, pressure (0–10 GPa) was applied to 2D hybrid perovskite flakes mechanically exfoliated from butylammonium lead halide single crystals, (C 4 H 9 NH 3 ) 2 PbI 4, from which we observed a series of changes of the strong excitonic emissions in the photoluminescence spectra. By correlating with in situ high-pressure X-ray diffraction results, we examine successfully the relationship between structural modifications in the inorganic PbI 4 2– layer and their excitonic properties. During the transition between Pbca (1b) phase and Pbca (1a) phase at around 0.1 GPa, the decrease in ⟨Pb–I–Pb⟩ bond angle and increase in Pb–I bond length lead to an abrupt blue shift of the excitonic bandgap. The presence of the P2 1 /a phase above 1.4 GPa increases the ⟨Pb–I–Pb⟩ bond angle and decreases the Pb–I bond length, leading to a deep red shift of the excitonic bandgap. The total band gap narrowing of ∼350 meV to 2.03 eV at 5.3 GPa before amorphization, facilitates (C 4 H 9 NH 3 ) 2 PbI 4 as a much better solar absorber. Moreover, phase transitions inevitably modify the carrier lifetime of (C 4 H 9 NH 3 ) 2 PbI 4, where an initial 150 ps at ambient phase is prolongated to 190 ps in the Pbca (1a) phase along with enhanced photoluminescence (PL), originating from pressure-induced strong radiative recombination of trapped excitons.The onset of P2 1 /a phase shortens significantly the carrier lifetime to 53 ps along with a weak PL emission due to pressure-induced severe lattice distortion and amorphization. High-pressure study on (C 4 H 9 NH 3 ) 2 PbI 4 nm-thin flakes may provide insights into the mechanisms for synthetically designing novel 2D hybrid perovskite based photoelectronic devices and solar cells.
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