[論文レビュー] Polaron mobility in halide perovskites

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

Perovskite Materials and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、有限温度の自由エネルギーを用いたファインマンポラロンモデルを第一原理的に変分的に解き、ハイブリッドハライドペロブスカイトにおける温度依存ポラロン移動度を予測する手法を提案する。メチルアンモニウム lead チド化物において、300 K 時に電子とホールの移動度がそれぞれ 133 および 94 cm²/V·s であると予測され、実験と良好に一致しており、内在的なポラロン移動度の上限に達していることが示唆される。

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.

研究の動機と目的

• ソフトで極性を持つハライドペロブスカイトにおけるキャリアの内在的移動度の上限を理解すること。
• 強い電子-格子振動結合が自由キャリアではなく大きなポラロンを形成するため、標準的な移動度モデルが不適切になるという課題に対処すること。
• 室温におけるポラロン形成および格子振動散乱を考慮した予測モデルを開発すること。
• デバイススケールのシミュレーションに使用可能な定量的パrameter（散乱時間定数や質量再正規化など）を提供すること。

提案手法

• 連続的誘電体におけるポラロン状態を記述するため、ファインマンポラロンモデルを変分的に解く。
• 大坂の有限温度自由エネルギー形式を用いて、ポラロンダイナミクスにおける熱的効果を組み込む。
• 電子構造計算を用いて有効質量および誘電応答パラメータを抽出することで、モデルを完全にパラメータ化する。
• ポラロン自己エネルギーおよび極性フォノン散乱率を評価することで、温度依存移動度を計算する。
• 動的ポラロン構造（フォノンドライブによる質量再正規化および散乱時間定数を含む）を考慮する。
• メチルアンモニウム lead チド化物における単結晶移動度測定結果と照合することで、モデルの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温におけるハイブリッドハライドペロブスカイトにおける内在的ポラロン移動度の上限は何か？
• RQ2 極性フォノン散乱および電子-格子振動結合は、これらの材料における電荷輸送にどのように影響するか？
• RQ3 キャリアのポラロン的性質が、標準的な自由キャリア移動度モデルをどれほど無効にするか？
• RQ4 ポラロンの動的構造を用いてインピーダンス分光測定データを解釈できるか？
• RQ5 デバイススケールのシミュレーションに使用するための主要な輸送パラメータ（散乱時間、質量再正規化など）は何か？

主な発見

• 300 K 時に、メチルアンモニウム lead チド化物における電子移動度が 133 cm²/V·s、ホール移動度が 94 cm²/V·s であるとモデルが予測した。
• 予測された移動度は、実験的単結晶測定値と妥当な一致を示しており、内在的なポラロン移動度の上限に達している可能性が示唆される。
• 室温において、極性フォノン散乱が主な移動度制限要因であると特定された。
• モデルは顕著なフォノンドライブによる質量再正規化を明らかにした。これはキャリアの有効質量および輸送挙動に影響を与える。
• 散乱時間定数および動的ポラロン構造が定量的に評価され、大規模なデバイスシミュレーションへの応用が可能になった。
• ポラロンモデルは、インピーダンス測定の解釈およびペロブスカイトにおけるホットエレクトロン状態の理解のためのフレームワークを提供する。