Nonlinear ion mobility at high electric field strengths in the perovskites SrTiO3 and CH3NH3PbI3

钙钛矿(结构) 材料科学 电场 领域(数学) 离子 凝聚态物理 结晶学 物理 化学 量子力学 数学 纯数学
作者
Dennis Kemp,Roger A. De Souza
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:5 (10) 被引量:9
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.5.105401
摘要

As the characteristic dimensions of perovskite devices shrink to the nanoscale, operating voltages of a few volts lead to huge field strengths and, consequently, to the possibility of field-enhanced ion mobility. In this paper, the electrochemical mobility of $X$ anions (${u}_{X}$) along $\ensuremath{\langle}100\ensuremath{\rangle}$ in the $AB{X}_{3}$ perovskite structure was investigated as a function of electric field strength $E$ and temperature $T$ by means of classical molecular dynamics simulations. Two different cases were examined: one representative of inorganic perovskites, oxide-ion mobility (${u}_{\text{O}}$) in cubic ${\mathrm{SrTiO}}_{3}$; and the other representative of hybrid inorganic-organic perovskites, iodide-ion mobility (${u}_{\mathrm{I}}$) in cubic ${\mathrm{CH}}_{3}{\mathrm{NH}}_{3}{\mathrm{PbI}}_{3}$. In both cases, isothermal mobilities are, as expected, independent of field at low values ($E<{10}^{0}$ MV ${\mathrm{cm}}^{\ensuremath{-}1}$) but become field dependent at higher values. Data obtained for ${u}_{\text{O}}(E,T)$ can be described quantitatively with an analytical treatment incorporating a modified Haven ratio for a dilute solution. In contrast, ${u}_{\text{I}}(E,T)$ displays complex behavior. At high fields, the degree of field enhancement is underestimated by the analytical treatment, while in the field-independent regime, the data imply that moderate fields decrease ${u}_{\mathrm{I}}$. Our study thus demonstrates that for cubic, inorganic $AB{X}_{3}$ perovskites ${u}_{X}(E,T)$ along $\ensuremath{\langle}100\ensuremath{\rangle}$ can now be predicted quantitatively, but for hybrid perovskites substantially more complex models are required.
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