Coupling of organic cation and inorganic lattice in methylammonium lead halide perovskites: Insights into a pressure-induced isostructural phase transition

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作者
Sorb Yesudhas,Randy Burns,Barbara Lavina,Sergey N. Tkachev,Jiuyu Sun,Carsten A. Ullrich,S. Guha
出处
期刊:Physical Review Materials [American Physical Society]
卷期号:4 (10) 被引量:19
标识
DOI:10.1103/physrevmaterials.4.105403
摘要

Organic-inorganic hybrid metal-halide perovskite (OIHP) materials provide a tunable platform for engineering their optoelectronic properties. Although several high-pressure studies have been conducted from the OIHP family of single crystals and films, the exact nature of the dynamic coupling of the CH<sub>3</sub>NH<sub>3</sub> (MA) cation with the octahedral lattice framework and the mechanisms responsible for the structural phase transformation under pressure are not well captured. By combined photoluminescence (PL), synchrotron-based x-ray diffraction, and Raman-scattering studies as a function of pressure from methylammonium lead bromide (MAPbBr<sub>3</sub>), we shed light on an isostructural phase transition due to the coupling of the MA cation and the PbBr<sub>6</sub> lattice through hydrogen bonding. The sharp discontinuities at ~ 1 GPa and ~ 3 GPa in the PL peak positions correlate with the structural changes observed in high-pressure XRD and Raman-scattering studies. The electronic band edge as a function of pressure is calculated within density-functional theory. The PL peak position, intensity and width of the excitonic peak show significant changes at 2 GPa, which corroborate the changes observed in high-pressure Raman-scattering studies. The frequencies of the lattice modes and the C-H/N-H bending and stretching modes of the MA cation show anomalous changes and other nuances at 2 GPa. The suppression of rotational and orientational disorder of the organic moiety is initiated at 2 GPa and the ordering is completed by 3.0 GPa, leading to an order-disorder type cubic II (Im$\\overline{3}$) to orthorhombic (<em>Pnma</em>) phase transition. Along with the revelation of an isostructural transformation at 2 GPa, this paper highlights the impact of molecular vibrations on the electronic properties of MAPbBr<sub>3</sub> under pressure.
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