[论文解读] Discovery of Ferroelectric Twin Boundaries in a Photoactive Halide Perovskite

Weilun Li, Qimu Yuan+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2026

Perovskite Materials and Applications被引用 0

一句话总结

该研究利用低剂量扫描透射电子显微镜揭示了在蒸镀 CsPbI3 中的铁弹性孪生界，显示了 {110} 孪生处的极化与非极性 {112} 孪生，表明卤化物钙钛矿中隐藏的铁性功能。

ABSTRACT

Halide perovskites have emerged as promising materials for next-generation photovoltaics, laser sources and X-ray detectors. There is intense debate as to whether some photoactive halide perovskites exhibit ferroelectric behaviour and whether it might be possible to utilise the bulk photovoltaic effect to enhance the performance of halide perovskite solar cells. Here, using low-dose scanning transmission electron microscopy, we discover the existence of ferroelastic twin boundaries in vapor-deposited CsPbI3 thin films, parallel to {110} and {112}. Remarkably, despite photoactive CsPbI3 being centrosymmetric and non-polar, we observe directly that Pb atoms shift at {110} twin boundaries driving a local ferroelectric-like polarisation. These polar twin walls form an intrinsic array of nanoscale functional interfaces, spaced ~30-50 nm apart, embedded within the non-polar perovskite lattice. In contrast, {112} twin boundaries remain non-polar but strongly suppress octahedral tilt and off-centre Cs atom displacements, revealing a different untapped ferroic degree of freedom. These discoveries together uncover previously hidden ferroic functionality in halide perovskite semiconductors, opening opportunities for enhanced conductivity and photovoltaic behaviour through domain wall engineering.

研究动机与目标

• 推动对光活性卤化物钙钛矿中铁性属性的探索，以期获得潜在的性能提升。
• 识别并表征 CsPbI3 薄膜中的孪生界。
• 研究通过畴壁来利用铁性效应是否能影响导电性和光伏行为。

提出的方法

• 将低剂量扫描透射电子显微镜应用于蒸镀 CsPbI3 薄膜。
• 识别材料中平行于 {110} 和 {112} 的孪生界。
• 分析孪生界处的原子位移以推断极化和铁性行为。
• 区分 {110} 与 {112} 孪生界在极性和八面体扭曲方面的行为差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 光活性 CsPbI3 薄膜中是否存在铁弹性孪生界？
• RQ2 {110} 孪生界是否表现出指示铁电样行为的极化？
• RQ3 {112} 孪生界在铁性特征上与 {110} 界有何不同？
• RQ4 CsPbI3 的畴壁是否可作为纳米尺度的功能界面，以增强传输或光伏响应？

主要发现

• {110} 孪生界显示 Pb 原子位移，驱动局部的铁电样极化。
• {112} 孪生界保持非极性，但抑制八面体扭曲和 Cs 的位移偏心。
• 在非极性晶格中形成了一系列纳米尺度极性界面，间距约为 ~30–50 nm。
• {112} 界显示出与 {110} 界不同的铁性自由度。
• 嵌入 CsPbI3 的极性孪生墙可能通过畴壁工程实现导电性和光伏行为的增强。