[論文レビュー] Pressure-induced reversible phase transition and amorphization of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$

Kai Wang, Ran Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2015

Perovskite Materials and Applications参考文献 13被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンドアンビルセルと同期放射線X線回折を用いて、CH₃NH₃PbI₃の高圧下での挙動を調査し、0.3 GPaでテトラゴナル構造から正方晶構造への逆転可能な相転移および4 GPaを超えるとアモルファス化が発生することを明らかにした。圧力を解放しても完全に可逆的である。光学および赤外分光法により、メチルアンモニウムカチオンにおける圧力誘起の構造的・電子的変化が示され、酸化物半導体材料の内在的安定性についての重要な知見が得られた。

ABSTRACT

Recent advances of highly efficient solar cells based on organic-inorganic halide perovskites have triggered intense research efforts to establish the fundamental properties of these materials. In this work, we utilized diamond anvil cell to investigate the pressure-induced structural and electronic transformations in methylammonium lead iodide (CH$_3$NH$_3$PbI$_3$) up to 7 GPa at room temperature. The synchrotron X-ray diffraction experiment show that the sample transformed from tetragonal to orthorhombic phase at 0.3 GPa and amorphized above 4 GPa. Further high pressure IR spectroscopy experiments illustrated the high pressure behavior of organic (CH$_3$NH$_3$)$^+$ cations. We also analyzed the pressure dependence of the band gap energy based on the optical absorption and photoluminescence (PL) results. Moreover, all the observed changes were fully reversible when the pressure was completely released. Our in situ high pressure studies provide essential information for the intrinsic properties and stability of organic-inorganic halide perovskites, which significantly affect the performance of perovskite solar cells.

研究の動機と目的

• CH₃NH₃PbI₃の高圧下における内在的構造的・電子的安定性を理解すること。
• メチルアンモニウム lead 碘化物における圧力誘起の相転移およびアモルファス化を特定すること。
• 圧力を解放した際の構造的・電子的変化の可逆性を特定すること。
• 赤外分光法を用いて圧力効果と有機的（CH₃NH₃）⁺カチオンの挙動を関連付けること。
• 高圧下での挙動がペロブスカイト太陽電池の性能および安定性に与える影響を評価すること。

提案手法

• 室温で最大7 GPaまでの圧力を印加するためにダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧実験を実施した。
• CH₃NH₃PbI₃の圧縮下における構造的変化をリアルタイムでモニタリングするために同期放射線X線回折を用いた。
• （CH₃NH₃）⁺カチオンの振動モードを分析するために高圧赤外分光法を採用した。
• 光学吸収および光励起分光測定を用いて、バンドギャップエネルギーの圧力依存性を特定した。
• 圧縮および圧力解放の両過程で、すべての圧力誘起変化をモニタリングして可逆性を評価した。
• データ解析は、相同定、バンドギャップの進化、および圧力下でのカチオンダイナミクスに焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CH₃NH₃PbI₃は高圧下でどのような構造的相転移を示し、それぞれどの圧力で発生するか？
• RQ2 CH₃NH₃PbI₃のアモルファス化はどの圧力で開始され、圧力解放後に可逆的か？
• RQ3 CH₃NH₃PbI₃の電子的バンドギャップは圧力が上昇するにつれてどのように変化するか？
• RQ4 赤外分光法によって明らかになったメチルアンモニウム（CH₃NH₃）⁺カチオンの高圧下での反応は何か？
• RQ5 CH₃NH₃PbI₃の高圧下における構造的・電子的変化は、圧力を完全に解放した後、どの程度まで可逆的か？

主な発見

• CH₃NH₃PbI₃は、高圧下で0.3 GPaでテトラゴナル構造から正方晶構造への逆転可能な相転移を示す。
• CH₃NH₃PbI₃のアモルファス化は4 GPaを超えると発生し、X線回折パターンにおける長距離秩序の喪失によって確認された。
• 相転移およびアモルファス化を含む、すべての構造的・電子的変化は、圧力を完全に解放した後も完全に可逆的である。
• 光学吸収および光励起分光測定により、CH₃NH₃PbI₃のバンドギャップは圧力が上昇するにつれて減少することが示された。
• 高圧赤外分光法により、（CH₃NH₃）⁺カチオンの振動モードに顕著な変化が観察され、圧縮下での構造的歪みおよびダイナミックな不規則性が示唆された。
• 観察された高圧下の挙動は、CH₃NH₃PbI₃が内在的に構造的柔軟性と可逆性を示すことを確認しており、これは酸化物半導体デバイスにおける安定性を理解する上で極めて重要である。