Dynamic nanodomains dictate macroscopic properties in lead halide perovskites

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作者
Miloš Dubajić,James R. Neilson,Johan Klarbring,Xia Liang,Stephanie A. Boer,K. C. Rule,Josie E. Auckett,Thomas A. Selby,Ganbaatar Tumen‐Ulzii,Yang Lu,Young‐Kwang Jung,Cullen Chosy,Zimu Wei,Yorrick Boeije,M. v. Zimmermann,Andreas Pusch,Leilei Gu,Xuguang Jia,Qiyuan Wu,Julia C. Trowbridge
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:20 (6): 755-763 被引量:18
标识
DOI:10.1038/s41565-025-01917-0
摘要

Abstract Lead halide perovskites have emerged as promising materials for solar energy conversion and X-ray detection owing to their remarkable optoelectronic properties. However, the microscopic origins of their superior performance remain unclear. Here we show that low-symmetry dynamic nanodomains present in the high-symmetry average cubic phases, whose characteristics are dictated by the A-site cation, govern the macroscopic behaviour. We combine X-ray diffuse scattering, inelastic neutron spectroscopy, hyperspectral photoluminescence microscopy and machine-learning-assisted molecular dynamics simulations to directly correlate local nanoscale dynamics with macroscopic optoelectronic response. Our approach reveals that methylammonium-based perovskites form densely packed, anisotropic dynamic nanodomains with out-of-phase octahedral tilting, whereas formamidinium-based systems develop sparse, isotropic, spherical nanodomains with in-phase tilting, even when crystallography reveals cubic symmetry on average. We demonstrate that these sparsely distributed isotropic nanodomains present in formamidinium-based systems reduce electronic dynamic disorder, resulting in a beneficial optoelectronic response, thereby enhancing the performance of formamidinium-based lead halide perovskite devices. By elucidating the influence of the A-site cation on local dynamic nanodomains, and consequently, on the macroscopic properties, we propose leveraging this relationship to engineer the optoelectronic response of these materials, propelling further advancements in perovskite-based photovoltaics, optoelectronics and X-ray imaging.
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