[논문 리뷰] Polaron mobility in halide perovskites

Jarvist M. Frost|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 18.

Perovskite Materials and Applications인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 유한온도 자유에너지와 함께 파울리-플랑크-파인만 폴라론 모델을 사용한 처음으로 원리적인 변분적 접근법을 제안하여 하이브리드 할라이드 퍼보스카이트에서 온도 의존적 폴라론 이동도를 예측한다. 메틸아미늄 lead 이odide에서 300 K에서 전자 이동도 133 cm²/V·s 와 정공 이동도 94 cm²/V·s 를 예측하며, 실험 결과와 양호한 일치를 보이며, 이는 본질적 폴라론 이동도 한계에 도달했음을 시사한다.

ABSTRACT

Lead halide perovskite semiconductors are soft, polar, materials. The strong driving force for polaron formation (the dielectric electron-phonon coupling) is balanced by the light band effective-masses, leading to a strongly-interacting large-polaron. A first-principles prediction of mobility would help understand the fundamental mobility limits. Theories of mobility need to consider the polaron (rather than free-carrier) state due to the strong interactions. In this material we expect that at room temperature polar-optical phonon mode scattering will dominate, and so limit mobility. We calculate the temperature-dependent polaron mobility of hybrid halide perovskites by variationally solving the Feynman polaron model with the finite-temperature free-energies of Ōsaka. This model considers a simplified effective-mass band-structure interacting with a continuum dielectric of characteristic response frequency. We parametrise the model fully from electronic-structure calculations. In methylammonium lead iodide at 300 K we predict electron and hole mobilities of 133 and 94 cm^2/V/s respectively. These are in acceptable agreement with single-crystal measurements, suggesting that the intrinsic limit of the polaron charge carrier state has been reached. Repercussions for hot-electron photo-excited states are discussed. As well as mobility, the model also exposes the dynamic structure of the polaron. This can be used to interpret impedance measurements of the charge-carrier state. We provide the phonon-drag mass-renormalisation, and scattering time constants. These could be used as parameters for larger-scale device models and band-structure dependent mobility simulations.

연구 동기 및 목표

• 부드럽고 극성인 할라이드 퍼보스카이트에서 전하 운반자의 본질적 이동도 한계를 이해하기 위해.
• 강한 전자-음향파 상호작용으로 인해 자유 운반자가 아닌 큰 폴라론이 형성되어 기존 이동도 모델이 무효화되는 문제를 해결하기 위해.
• 실온에서 폴라론 형성과 음향파 산산각산 효과를 고려한 예측 모델을 개발하기 위해.
• 장치 규모 시뮬레이션에 사용할 수 있는 정량적 매개변수(예: 산산각산 시간 상수 및 질량 재정의)를 제공하기 위해.

제안 방법

• 연속적 매질에서 특성 응답 주파수를 가진 극성 물질에서 폴라론 상태를 기술하기 위해 파울리-플랑크-파인만 폴라론 모델을 변분적으로 해석한다.
• Ōsaka 의 유한온도 자유에너지 체계를 적용하여 폴라론 역학에 대한 열적 효과를 포함시킨다.
• 전자구조 계산을 통해 효과적 질량 및 유전율 응답 매개변수를 추출하여 모델을 완전히 매개변수화한다.
• 폴라론 자기에너지 및 극성-광학 음향파 산산각산률을 평가하여 온도 의존적 이동도를 계산한다.
• 동적 폴라론 구조, 음향파 끌림에 의한 질량 재정의 및 산산각산 시간 상수를 고려한 접근법이다.
• 메틸아미늄 페르로브스카이트의 단일 결정 이동도 측정 결과와의 비교를 통해 모델을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 하이브리드 할라이드 퍼보스카이트에서 본질적 폴라론 이동도 한계는 무엇인가?
• RQ2 극성-광학 음향파 산산각산과 전자-음향파 상호작용은 이러한 물질에서 전하 이동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 운반자의 폴라론 성격이 기존 자유 운반자 이동도 모델을 얼마나 무효화하는가?
• RQ4 폴라론의 동적 구조는 임피던스 스펙트로스코피 데이터를 해석하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 장치 수준의 시뮬레이션에 사용할 수 있는 주요 운반 매개변수(산산각산 시간 상수 및 질량 재정의 등)는 무엇인가?

주요 결과

• 300 K에서 모델은 메틸아미늄 페르로브스카이트에서 전자 이동도 133 cm²/V·s 와 정공 이동도 94 cm²/V·s 를 예측한다.
• 예측된 이동도는 실험적 단일 결정 측정 결과와 수용 가능한 일치를 보이며, 본질적 폴라론 이동도 한계에 도달했음을 시사한다.
• 실온에서 극성-광학 음향파 산산각산이 이동도 제한의 주요 메커니즘이라고 규명되었다.
• 모델은 상당한 음향파 끌림에 의한 질량 재정의를 규명하였으며, 이는 운반자 효과 질량과 운반 특성에 영향을 미친다.
• 산산각산 시간 상수 및 동적 폴라론 구조가 정량화되었으며, 이는 더 큰 규모의 장치 시뮬레이션에 활용 가능하다.
• 폴라론 모델은 임피던스 측정 결과를 해석하고 퍼보스카이트에서의 핫 전자 상태를 이해하는 데 틀을 제공한다.