[论文解读] Polaron mobility in halide perovskites

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

Perovskite Materials and Applications被引用 2

一句话总结

本研究提出一种基于费曼极化子模型与有限温度自由能的从头算变分方法，用于预测混合卤化物钙钛矿中温度依赖的极化子迁移率。该方法在甲基铵铅碘化物中预测得到300 K时电子和空穴的迁移率分别为133和94 cm²/V·s，与实验结果吻合良好，表明已达到本征极化子迁移率极限。

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.

研究动机与目标

• 理解软性极性卤化物钙钛矿中载流子的本征迁移率极限。
• 解决强电子-声子耦合导致形成大极化子而非自由载流子的问题，从而使得标准迁移率模型失效。
• 开发一种可预测模型，以考虑室温下极化子的形成与声子散射。
• 提供可用于器件尺度模拟的定量参数，如散射时间常数和质量重正化参数。

提出的方法

• 变分求解费曼极化子模型，以描述具有特征响应频率的连续介质中的极化子态。
• 应用大坂（Ōsaka）提出的有限温度自由能形式，以引入热效应对极化子动力学的影响。
• 通过电子结构计算完全参数化模型，提取有效质量与介电响应参数。
• 通过评估极化子自能与极化光学声子的散射速率，计算温度依赖的迁移率。
• 该方法考虑了动态极化子结构，包括声子拖拽质量重正化与散射时间常数。
• 通过甲基铵铅碘化物单晶迁移率测量结果对模型进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下，混合卤化物钙钛矿中的本征极化子迁移率极限是多少？
• RQ2 极化光学声子散射与电子-声子耦合如何影响这些材料中的电荷输运？
• RQ3 载流子的极化子特性在多大程度上使标准自由载流子迁移率模型失效？
• RQ4 极化子的动态结构能否用于解释阻抗谱测量数据？
• RQ5 在器件级模拟中，哪些关键输运参数（如散射时间与质量重正化）是关键的？

主要发现

• 在300 K时，模型预测甲基铵铅碘化物中电子迁移率为133 cm²/V·s，空穴迁移率为94 cm²/V·s。
• 预测的迁移率与实验单晶测量结果在可接受范围内一致，表明本征极化子迁移率极限已被达到。
• 极化光学声子散射被确定为室温下迁移率的主要限制机制。
• 模型揭示了显著的声子拖拽质量重正化，该效应影响载流子有效质量与输运行为。
• 散射时间常数与动态极化子结构得到量化，使其可应用于更大尺度的器件模拟。
• 极化子模型为解释阻抗测量与理解钙钛矿中的热电子态提供了理论框架。