First-principles calculations of spin-split bands in chiral hybrid organic-inorganic perovskites ($R$/$S$-PEA)PbI$_3$ and ($R$/$S$-NEA)PbI$_3$
Institute for Materials Research, Tohoku University（东北大学物质材料研究所学）；Department of Applied Physics, Tokyo University of Science（东京科学大学应用物理系）；School of Advanced Science and Engineering, Waseda University（早稻田大学先进理工学研究院）
通过第一性原理计算，研究了手性杂化钙钛矿($R$/$S$-PEA)PbI$_3$和($R$/$S$-NEA)PbI$_3$中自旋分裂能带的结构差异及其控制因素，揭示了分子手性、轨道杂化和自旋-轨道耦合对自旋纹理的影响。
2026-07-02 cond-mat.mtrl-sci
Ab Initio Thermodynamic Study of PbI$_2$ and CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ Surfaces in Reaction with CH$_3$NH$_2$ Gas for Perovskite Solar Cells
用于光致发光的有机-无机混合卤化物钙钛矿由于其独特的材料性能而引起了研究兴趣，但遭受较差的材料稳定性。本文采用密度泛函理论结合热力学方法，研究了PbI $_2$和立方CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$（MAPbI $_3$）的表面相图，以更好地理解前驱体对固-气反应合成钙钛矿的影响。利用所设计的PbI $_2$（001）和MAPbI $_3$（100）、（110）和（111）具有完整和各种缺陷终端的平板模型，通过物种化学势计算了它们的形成能和CH $_3$ NH $_2$分子在PbI $_2$（001）表面不同合成条件下的吸附能.计算结果表明，通过HI或NH $_4$ I分子的解离和CH $_3$ NH $_3^+$阳离子或NH $_3$ -CH $_3$ NH $_3^+$络合物的形成，可以促进吸附，有利于PbI $_2$通过固-气反应转化为MAPbI $_3$.此外，我们还发现在不同的钙钛矿结构MAPbI $_3$表面中，MA封端的（110）和MAI封端的（100）表面在pH值为1和6时位于化学势的化学稳定区，这与实验结果一致。我们相信这项工作为高结晶度钙钛矿合成提供了固气反应的基本理解，从而提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性。
2021-09-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantifying Hidden Symmetry in the Tetragonal CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ Perovskite
在文献中，将精确的空间群分配给四氢CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$钙钛矿结构在实验上是具有挑战性的并且是有争议的。在静态密度泛函理论计算中没有捕获到甲基铵离子的平均取向，尽管准I4 cm和准I4/mcm结构通常用于计算。在这项工作中，我们已经开发了一种方法来量化这些结构的隐藏对称性，使用群论，使对称性在理解光谱和其他属性的使用。我们研究了振动模式的近似对称性，包括简并表象的分析，以及介电，弹性，电光，玻恩有效电荷，拉曼张量和动力学矩阵。与全四元群D $_{4h}$的每个子群相比，我们的结果表明，准I4 cm最好由预期的对应点群C $_{4v}$描述，而准I4/mcm（尽管对应于点群D $_{4h}$）最好由较低对称性C $_{2v}$描述。我们的方法可以是有用的，一般用于分析其他软混合材料或任何近似对称的材料。
2023-01-26 cond-mat.mtrl-sci
Resolving Discrepancies in Calculations of Mechanical Properties of CH\textsubscript{3}NH\textsubscript{3}PbI\textsubscript{3} Perovskites
针对典型混合钙钛矿CH₃NH₃PbI₃机械性质研究中文献结果存在显著差异的问题，本研究利用密度泛函理论详细计算了其三个相的弹性质，系统考察了多种计算方法细节的影响，为金属卤化物钙钛矿提供了准确的弹性参考值和通用计算方法。
2024-12-23 cond-mat.mtrl-sci
Morphology control and low-temperature magnetotransport in chiral 2D perovskite R-(MBA)$_2$PbI$_4$
通过工程化手性钙钛矿薄膜形貌，首次实现横向器件集成，在霍尔棒结构中测量到空穴迁移率约0.2 cm²/V·s和载流子密度约3×10¹⁴ cm⁻²，并观察到晶界增强磁阻效应。
2026-06-12 cond-mat.mtrl-sci
Improved Charge Carrier Dynamics of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ Perovskite Films Synthesized by Means of Laser-Assisted Crystallization
尽管最近已经证明，与传统的热退火（TA）相比，激光辅助（LA）结晶过程导致形成具有优异光伏性能的钙钛矿吸收剂膜，但这一重要发现背后的物理起源却缺失了。在本研究中，CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$钙钛矿薄膜已经通过LA和TA结晶在两个空穴传输层（HTL）即聚（3，4-乙撑二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）和聚（三芳基胺）（PTAA）的表面上合成。通过扫描电子显微镜、X射线衍射和吸收光谱系统地研究了激光辐照条件对钙钛矿薄膜的结晶质量和形貌的影响。同时，时间分辨瞬态吸收光谱在惰性气氛条件下被用来评估载流子输运动力学。发现对于PEDOT：PSS/CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$结构，当与TA相比时，LA过程导致较大晶粒的钙钛矿层、较快的载流子提取性质和较慢的双分子复合。相反，PTAA/CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$异质结构的LA辅助形成导致残留PbI $_2$的广泛存在，从而导致较差的性能和载流子动力学。
2020-11-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
In-Situ Monitoring of the Charge Carrier Dynamics of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ Perovskite Crystallization Process
尽管甲基碘化铅铵（CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$）钙钛矿在过去十年左右吸引了巨大的科学关注，但关于钙钛矿器件中的电荷提取动力学和复合过程的重要信息仍然缺失。在这里，我们提出了一种新的方法来评估CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$层的质量，通过在热退火结晶过程中的钙钛矿层载流子动力学的原位监测，通过时间分辨飞秒瞬态吸收光谱（TAS）。特别地，CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$膜沉积在两种类型的聚合物空穴传输层（HTL）上，聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）-聚-（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）和聚-（三芳基胺）（PTAA），已知这两种类型的聚合物空穴传输层在钙钛矿太阳能电池中提供不同的载流子传输特性。为了监测钙钛矿载流子动力学在结晶过程中的演变，通过TAS在三个不同的退火温度（即90、100和110 oC）下原位研究了如此形成的CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$ /HTL结构。据透露，为了实现最佳的钙钛矿薄膜质量的衰减动力学方面所需的退火时间段强烈依赖于退火温度，以及，在所采用的HTL。对于两种HTL，所需的时间随着使用更高的退火温度而减少，而对于更疏水的PTAA聚合物，需要更长的退火时间以获得最佳的载流子动力学。TAS发现的钙钛矿薄膜的结构和形态特征的相关性进行了分析，并提供了有用的见解钙钛矿光电子器件中的电荷提取动力学和复…
2020-11-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Optical spectroscopy of two-dimensional layered $(C_{6}H_{5}C_{2}H_{4}-NH_{3})_{2}-PbI_{4}$ perovskite
我们报告了$(C_{6}H_{5}C_{2}H_{4}-NH_{3})_{2}PbI_{4}$钙钛矿二维自组织层的光谱学（光致发光和光致发光激发）。温度和激发功率依赖性的光学光谱给出了一个新的洞察这种混合有机/无机半导体的激子和声子性质。特别是，激子-声子相互作用被发现是一个以上的数量级高于GaAs量子阱。因此，光致发光发射线必须在极化子模型的框架内解释。
2009-08-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Metallicity and conductivity crossover in white light illuminated CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ perovskite
固有直流电阻率（$ρ$）-仅在单晶上可测量-通常是首先揭示给定材料特性的量。在CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$钙钛矿的情况下，在白光照明下测量$ρ$提供了对扩展和浅局域态（导带以下0.1eV）共存的洞察。前者主导的电传导，而后者，来自中性缺陷，作为一个长寿命的载流子水库访问的电荷传输热激发。值得注意的是，在最好的晶体中，电阻率在室温下的照明下显示出金属行为，为基础物理研究中的材料提供了新的维度。
2016-04-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Pressure-induced reversible phase transition and amorphization of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$
基于有机-无机卤化物钙钛矿的高效太阳能电池的最新进展已经引发了大量的研究工作，以确定这些材料的基本性质。本文利用金刚石压砧对甲基碘化铅铵（CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$）进行了室温下高达7 GPa压力下的结构和电子相变研究。同步辐射X射线衍射实验表明，在0.3GPa压力下样品由四方相转变为正交相，在4GPa压力以上样品发生非晶化。进一步的高压红外光谱实验说明了有机（CH $_3$ NH $_3$）$^+$阳离子的高压行为。我们还分析了基于光吸收和光致发光（PL）结果的带隙能量的压力依赖性。此外，当压力完全释放时，所有观察到的变化都是完全可逆的。我们的原位高压研究为有机-无机卤化物钙钛矿的固有性质和稳定性提供了重要信息，这显著影响了钙钛矿太阳能电池的性能。
2015-09-12 cond-mat.mtrl-sci
Free-electron effects on optical absorption of hybrid perovskite CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ from first principles
混合有机-无机钙钛矿，如甲基铵三碘化铅（MAPbI $_3$），是下一代太阳能电池中有效吸收材料的有趣候选者，部分原因是低激子结合能和强光吸收的不寻常组合。这种材料中的激子效应在实验和理论上都存在争议，这表明需要更好地理解作用于电子-空穴相互作用的屏蔽机制。在这里，我们使用尖端的第一性原理理论光谱学，密度泛函和多体微扰理论的基础上，研究原子的几何形状，电子结构和光学性质的三个MAPbI $_3$多晶型物，并找到与早期的结果和实验很好的协议。然后，我们研究了自由电子对电子-空穴相互作用的影响，并表明，这解释了一贯较小的激子结合能，与那些在材料中没有自由电子。有趣的是，我们还发现，吸收线的形状非常类似的光谱没有自由电子高自由电子浓度。我们解释这种意想不到的行为形成的Mahan激子占主导地位的吸收边，使其强大的自由电子诱导的变化，在其他半导体。
2019-03-22 cond-mat.mtrl-sci
Rashba-Dresselhaus Effect in Inorganic/Organic Lead Iodide Perovskite Interfaces
尽管太阳能电池效率至关重要，但钙钛矿太阳能电池与相邻载流子传输层之间界面处的有趣现象几乎没有被发现。在这里，我们表明，PbI $_2$ /Al封端的碘化铅钙钛矿（APbI $_3$ ; A=Cs $^+$ /甲基铵（MA））与石墨烯或TiO 2的电荷传输介质接口表现出相当大的/强大的Rashba-Dresselhaus（RD）效应使用密度泛函理论和从头算分子动力学（AIMD）模拟高于α相温度。在PbI $_2$封端的石墨烯/CsPbI 3（001）界面处，朝向石墨烯的铁电畸变促进反转破坏场。在MAI封端的TiO $_2$ /MAPbIPDMATHABMN（001）界面处，MAPDMATHABMO通过短强氢键和伴随的PbI $_3$畸变对TiO $_2$的定向排列保持了RD相互作用，甚至在330 K以上。即使在高温下，界面处的鲁棒RD效应也与本体不同，将直接型带改变为间接型带以抑制电子和空穴的复合，从而使这些积累的载流子克服钙钛矿和电荷转移材料之间的势垒，这提高了太阳能电池的效率。
2018-04-17 cond-mat.mtrl-sci
Revealing the role of organic cations in hybrid halide perovskites CH3NH3PbI3
混合卤化物钙钛矿CH $_{3}$ NH $_{3}$ PbI $_{3}$已经使太阳能电池达到约18\%的效率，展示了在太阳能领域中没有先例的改进步伐。尽管取得了这样的爆炸性进展，但这种材料成功背后的微观起源仍然存在争议，有机阳离子在光捕获过程中所起的作用仍然不清楚。在这里范德华校正的密度泛函理论计算表明，有机分子的取向起着决定材料的电子性质的基本作用。例如，如果CH $_{3}$ NH $_{3}$沿着（011）类方向取向，则PbI $_{6}$八面体笼将扭曲，并且带隙将变为间接的。我们的研究结果表明，分子的旋转，随之而来的动态变化的能带结构，可能是在起源的慢载流子复合和CH $_{3}$ NH $_{3}$ PbI $_{3}$优越的转换效率。
2015-01-15 cond-mat.mtrl-sci
Effects of Defect on Work Function and Energy Alignment of PbI2: Implications for Solar Cell Applications
二维层状碘化铅（PbI 2）是合成卤化铅钙钛矿的重要前驱体和常见的残留物种。目前存在一些关于过量PbI 2对太阳能电池的效率和稳定性的影响的争论和不确定性，这与其能量对准和缺陷能量学有关。本文采用第一性原理计算，研究了单层PbI_2（ML-PbI_2）中碘空位（VI）和间隙碘（II）缺陷的能量学、功函数变化和缺陷能级.我们发现，PbI 2有一个非常低的VI的形成能为0.77和0.19 eV的稀和高浓度，分别反映了孤立VI的聚结趋势，远低于其他二维材料，如磷烯的空位。与VI类似，发现II的低形成能为0.65 eV，这意味着这种缺陷的高种群。这两种缺陷都产生了带隙内缺陷能级，这主要是由于暴露的Pb或插入的I的p轨道的不饱和化学键。这种丰富的缺陷能级允许VI和II作为PbI 2中电子/空穴载流子的储库或汇。我们的研究结果表明，钙钛矿MAPbI 3（或FAPbI 3）中剩余的PbI 2在影响钙钛矿效率方面发挥着双重相反的作用：（1）与MAPbI 3（或FAPbI 3）形成Schottky型界面，其中内置电势将促进电子-空穴分离并延长载流子寿命;（2）由于深缺陷能级而充当复合中心。为了提高效率的肖特基效应，我们的工作表明，II缺陷是有利的，并减少复合中心的VI缺陷应被抑制。我们的研究结果将有助于改善相关的光电子应用的策略。
2022-01-28 cond-mat.mtrl-sci
Defects in Halide Perovskites: Does It Help to Switch from 3D to 2D?
Ruddlesden-Popper混合碘化物2D钙钛矿被提出作为其3D对应物的稳定替代品。使用第一性原理计算，我们证明了点缺陷的平衡浓度在2D钙钛矿PEA $_2$ PbI $_4$，BA $_2$ PbI $_4$，和PEA $_2$ SnI $_4$（PEA：苯乙基铵，BA：丁基铵），是远远低于可比的3D钙钛矿。由缺陷引起的键合中断在2D网络中比在3D网络中更有害，使得缺陷形成在能量上更昂贵。通过与Pb合金化，可以进一步增强2D Sn碘化钙钛矿的稳定性。然而，如果由于非平衡生长条件而出现相当大浓度的点缺陷，则这些缺陷会妨碍2D钙钛矿的光电性能，因为它们引入了深陷阱。我们认为，陷阱能级是负责在实验中观察到的2D钙钛矿宽的子带隙发射。
2022-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Structural and Electronic Properties of Hybrid Perovskites for High-Efficiency Thin-Film Photovoltaics from First-Principles
钙钛矿太阳能电池的性能最近超过了15%的太阳能-电力转换效率，用于小面积设备。活性吸收层，即由混合金属和有机卤化物[ \textit{e.g.}（NH $_4$）PbI $_3$和（CH $_3$ NH $_3$）PbI $_3$ ]形成的混合有机-无机钙钛矿的基本性质在很大程度上是未知的。材料是在第一布里渊区的边界处具有直接带隙的半导体。计算的介电响应和带隙显示出取向依赖性，与有机阳离子的旋转的低势垒。由于甲基铵阳离子的电偶极子，可以获得光铁性效应，这可以增强载流子收集。
2013-09-17 cond-mat.mtrl-sci
Sn/Ge substitution in ((C$_\textrm{n}$H$_{2\textrm{n}-1}$NH$_3$)$_2$PbI$_4$; n=3): An emerging 2D layered hybrid perovskites with enhanced optoelectronic properties$^†$
本研究探讨了Ge/Sn取代和Pb空位对2D层状杂化钙钛矿结构稳定性、光电性质及太阳能电池效率的影响，发现Sn取代能更有效地替代有毒的Pb并提升材料性能。
2022-04-10 cond-mat.mtrl-sci
Intra- and Interlayer Excitonic Fine Structure of the Two-Dimensional Perovskite (PEA)$_2$PbI$_4$
Julius-Maximilians-University Würzburg（维尔茨堡大学）；MESA+ Institute for Nanotechnology, University of Twente（特温特大学 MESA+ 纳米技术研究所）；School of Metallurgy and Materials, University of Birmingham（伯明翰大学冶金与材料学院）
研究通过低温光致发光和G₀W₀+BSE计算揭示了(PEA)₂PbI₄的层内和层间激子精细结构，阐明了其由晶格对称性和畸变主导的特性，修正了二维钙钛矿的激子描述。
2026-04-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Unraveling the water degradation mechanism of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$
钙钛矿型光致发光材料的不稳定性一直是人们争论的焦点，尤其是水环境对材料稳定性的影响。揭示这种不稳定性的机制对于实现钙钛矿太阳能电池的实际应用至关重要。在这里，从头算metadhesics研究的初始阶段的溶解过程CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$（MAPbI $_3$）在明确的水。发现MAPbI $_3$的初始溶解是一个复杂的多步过程，由I $^-$离子离开CH $_3$ NH $_3$ I末端表面触发.重建的自由能景观表明低能量障碍的水溶解的MAPbI $_3$。此外，我们提出了一个两步热力学循环MAPbI $_3$溶解在水中，在一个有限的浓度，使溶解过程的自发性。初始溶解步骤的低能势垒和MAPbI $_3$在水中溶解的自发性质解释了为什么水立即破坏原始的MAPbI $_3$。为了比较，还对全无机CsPbI $_3$钙钛矿的溶解热力学进行了分析。水化熵和水溶液离子熵在溶解过程中起重要作用。我们的研究结果提供了一个全面的了解，目前的辩论水不稳定性的MAPbI $_3$。
2019-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Rapid spin depolarization in the layered 2D Ruddlesden Popper perovskite (BA)(MA)PbI
本研究通过多种光谱技术发现二维Ruddlesden-Popper钙钛矿(BA)(MA)PbI中自旋退相位时间远短于光载流子寿命，导致稳态无自旋极化，且自旋退相位几乎不随温度变化，为相关自旋应用指出了瓶颈。
2023-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Aziridinium lead iodide: a stable, low bandgap hybrid halide perovskite for photovoltaics
$A$位点分子的低电离能是一个非常重要的因素，其决定了$A$ PbI $_3$混合卤化物钙钛矿的晶体稳定性，而分子的尺寸决定了室温下的稳定相，并最终决定了带隙。对于PbI $_3$笼而言，实现低电离能和合理尺寸以规避混合卤化物钙钛矿固有的稳定性问题是具有挑战性的。在这里，我们提出了一种新的三元带电环自由基，它表现出低的电离能，使其相应的钙钛矿和合理的阳离子大小，转化为光伏应用的合适的带隙的良好稳定性。我们使用从头计算来评估所提出的卤化物混合钙钛矿的晶体结构的多态性，其稳定性和电子性质相比，主流钙钛矿，如甲基铵和甲脒碘化铅。我们的研究结果强调了范德华相互作用对于预测钙钛矿与六方晶体结构的正确多态性的重要性。
2017-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Photoluminescence Tuning Through Irradiation Defects in CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ Perovskites
将缺陷工程应用于混合（CH $_3$ NH $_3$）PbI $_3$有机-无机钙钛矿。这些材料已成为光电子学和发光器件领域中传统半导体的最有前途的低成本替代品之一。在这里，我们使用低能量的氦离子辐照作为一种工具，在单晶和多晶薄膜中控制引入点缺陷。从10 K到室温，辐照缺陷改变了光致发光光谱探测的光电特性。2与通常的半导体相反，我们观察到PL特性随辐照的非常好的弹性，甚至与低温下光发射的增强有关。我们讨论了这些结果的关系，在低于T=160 K的四斜晶系的低温相变。从单晶和多晶薄膜，无论有和没有辐照缺陷的光谱之间的比较，允许更好地理解在这两种样品的发光机制。因此，我们证明了这些材料的辐射硬度和缺陷的特异性及其对光发射性能的影响。
2021-10-11 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Interface Modeling of Perovskite Polymer Heterostructures for Enhanced Charge Transfer Efficiency in Hybrid Photovoltaic Materials
Sabanci University（萨班哲大学）
本研究通过DFT分析揭示了钙钛矿聚合物异质界面中表面终止对电荷传输的影响，发现PbI终止界面具有更强的电子耦合和电荷传输效率。
2025-12-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultrafast Control of Excitonic Rashba Fine Structure by Phonon Coherences in a Metal Halide Perovskite CH$_3$NH$_3$PbI$_3$
我们在CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$中发现了隐藏的Rashba精细结构，并证明了它的量子控制是通过选择性振动（电子-声子）耦合的振动相干来实现的。在单周期太赫兹泵浦场的临界阈值以上，拉曼声子模式明显地调制具有{ \em持续}相干性的中间激子态，其调制时间是两侧主要耦合到红外声子的激子态的十倍以上。这些电子振动量子拍频与声子周期性调制的Rashba参数的第一原理建模一起识别{ \em三重}激子精细结构分裂，即，在两个明亮的暗态之间的光禁止的简并暗态。利用振动量子相干性和对称性激发了光-钙钛矿量子控制和自旋分裂带的亚太赫兹周期“Rashba工程”，用于最终的多功能器件。
2020-03-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el quant-ph
Emergence of hidden phases of methylammonium lead-iodide (CH$_3$NH$_3$PbI$_3$) upon compression
我们进行了彻底的结构搜索与最小跳跃方法（MHM）探索低能结构的甲基碘化铅铵。通过将MHM与力场相结合，我们有效地筛选了包含多达96个原子的大型模拟单元的构型空间的大部分。我们的搜索揭示了两种结构的甲基碘化铵钙钛矿（MEI），这是大大低于能量的充分研究实验观察到的低温$Pnma$正交相，根据密度泛函计算。这两种结构还没有在文献中报道的双金属，但我们的研究结果表明，它们可以出现作为双金属稳定相通过压缩在低温下。在电子性质方面，这两个阶段表现出更大的带隙比标准的钙钛矿型结构。因此，在技术上可实现的压力（即，通过薄膜应变）是合成具有可变带隙的几种多晶型物的途径。
2018-06-15 cond-mat.mtrl-sci
The Faraday effect and phase transition in the CH 3 NH 3 PbI 3 halide perovskite single crystal
本研究首次在MAPbI3卤化物钙钛矿单晶中观测到法拉第效应，发现其旋转在四方-立方相变温度以下受抑制、以上遵循居里定律，证明顺磁起源，为自旋光子学应用开辟新途径。
2023-09-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Photon echo polarimetry of excitons and biexcitons in a CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ perovskite single crystal
卤化铅钙钛矿在光伏和光电子器件中显示出优异的性能。然而，这些材料中光-物质相互作用的特殊性通常还远未在实验和理论上得到充分的探索。在这里，我们具体解决的能级顺序的光学跃迁，并证明光子回波在甲基铵三碘化铅单晶，从而确定的光学相干时间$T_2$激子和双激子在低温下分别为0.79 ps和0.67 ps。最重要的是，我们已经开发出一种实验光子回波偏振方法，不仅确定了激子和双激子复合物的贡献，而且还允许准确测定的双激子结合能为2.4毫电子伏，即使激子和双激子之间的量子拍频的周期是远远长于共振的相干时间。我们的实验和理论分析方法有助于理解在中等泵浦密度下准粒子相互作用的复杂机制，并表明即使在高质量的钙钛矿晶体和非常低的温度下，由于局部晶体势波动引起的激子跃迁的不均匀加宽也是光学退相的来源。
2021-12-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Spin dynamics of excitons and carriers in mixed-cation MA$_{x}$FA$_{1-x}$PbI$_{3}$ perovskite crystals: alloy fluctuations probed by optical orientation
Empa-Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology（瑞士联邦材料科技研究所）
研究通过光学取向探测混合阳离子钙钛矿中自旋动力学，揭示合金波动对激发子和载流子自旋行为的影响。
2026-01-09 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Four-wave mixing in perovskite photovoltaic materials reveals long dephasing times and weaker many-body interactions than GaAs
钙钛矿半导体已经显示出低成本太阳能电池、激光器和光电探测器的前景，但它们的基本物理特性还没有得到很好的理解。最近观察到的低（$\sim$几meV）激子结合能和室温相中热声子效应的证据表明，钙钛矿比传统有机光致发光中的吸收层更接近无机半导体，表明需要实验来阐明在光电子学和光致发光中使用的半导体的光谱内钙钛矿材料的放置。在这里，我们使用四波混频（FWM）来对比CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$薄膜和晶体GaAs的相干光学响应。在与太阳能电池操作相关的载流子密度下，我们的结果表明，载流子通过钙钛矿中的库仑相互作用进行的相互作用非常弱，比无机半导体弱得多。这些弱的多体效应导致CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$ $\sim$的退相时间比GaAs长3倍。我们的研究结果还表明，强烈增强的激子FWM信号绑定到GaAs和其他III-V族半导体中的激子诱导退相不发生在钙钛矿由于弱激子载流子散射相互作用。
2016-09-22 cond-mat.mtrl-sci
2D Ferroelectric Ruddlesden-Popper Perovskites: an Emerging Fully Electronically Controllable Shift Current and Persistent Spin Helix
North University of China（中北大学）；Institute of Materials Science, Technology University of Darmstadt（达姆施塔特工业大学材料科学研究所）；School of Microelectronics, Xidian University（西安电子科技大学微电子学院）
研究通过第一性原理计算揭示二维铁电钙钛矿的结构畸变与功能响应关系，发现其移位电流可与传统铁电氧化物媲美，且在特定情况下更大，同时发现其自旋纹理与铁电性协同实现非易失电控。
2026-04-09 cond-mat.mtrl-sci
Temperature Dependence of the Energy Levels of Methylammonium Lead Iodide Perovskite from First Principles
环境效应和固有的能量损失过程导致太阳能电池工作温度的波动，这会深刻影响其功率转换效率。在这里，我们确定从第一性原理上的带隙和带边的混合pervovoxane CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$占电子-声子耦合和热膨胀的温度的影响。从$290$到$380$ K，计算的带隙变化为$40$ meV，与实验的$30$ - $40$ meV的变化一致。CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$中电子-声子耦合的计算特别复杂，因为常用的Allen-Heine-Cardona理论高估了带隙随温度的变化，并且只有在电子-声子相互作用中包括高阶项时才能获得与实验的良好一致性。我们还发现，自旋-轨道耦合增强了电子-声子耦合强度，但包括使用混合泛函的非局域相关的影响不大。我们在金属卤化物钙钛矿CsPbI $_3$中得到了类似的结论。我们的结果明确地证实了第一次的重要性，在电子-声子耦合的直接比较与实验。
2016-12-05 cond-mat.mtrl-sci
Antiphase boundary in CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ repels charge carriers while promotes fast ion migrations
有机-无机杂化钙钛矿（OIHP）中的缺陷严重影响其光电性能。识别和更好地理解OIHP中存在的缺陷是制造高性能钙钛矿太阳能电池的重要一步。然而，直接可视化的缺陷仍然是一个挑战，由于他们的灵敏度在电子显微镜表征的OIHP。本文利用低剂量扫描透射电子显微镜技术，观察到CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$（MAPbI $_3$）中普遍存在的反相界（APB），解析了它的原子结构，并将其与电子/离子活性和结构不稳定性联系起来。这种APB是由[PbI $_6$ ] $_4$ -八面体沿[100]/[010]方向的半晶胞位移引起的，导致从本体MAPbI $_3$中的共角[PbI $_6$ ] $_4$ -八面体转变为APB处的共边[PbI $_6$ ] $_4$ -八面体。基于确定的原子尺度配置，我们进一步进行密度泛函理论计算，并揭示了APB在MAPbI $_3$排斥电子和空穴，而作为一个快速的离子迁移通道，导致快速分解成PbI $_2$，这是不利于光电性能。这些发现提供了宝贵的见解OIHP的结构和光电性能之间的关系，并建议，控制APB是必不可少的，他们的稳定性。
2022-01-12 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Ferroelasticity in Two-Dimensional Hybrid Ruddlesden$-$Popper Perovskites Mediated by Cross-Plane Intermolecular Coupling and Metastable Funnel-Like Phases
该研究结合第一性原理与元动力学，揭示单层八面体 (BA)$_2$PbI$_4$ 的铁弹性切换由跨平面耦合及亚稳漏斗状 PE 相调控，并阐明温度与 Br 混合对势垒和相浓度的影响。
2024-09-10 cond-mat.mtrl-sci
A Morphotropic Phase Boundary in MA$_{1-x}$FA$_x$PbI$_3$: Linking Structure, Dynamics, and Electronic Properties
本研究通过机器学习势分子动力学模拟绘制MA₁₋ₓFAₓPbI₃相图，发现约27%FA含量处存在准同型相界，连接声子模式交叉与带边涨落峰值，为钙钛矿光电性能调控提供成分驱动路径。
2025-03-28 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Yellow Light Energy Transfer Emitting Diodes Based on mixed Quasi-2D Perovskites
基于卤化物钙钛矿的新型混合有机-无机半导体（HOIS）材料由于其重要的光电性能而不断被用于诸如发光二极管（LED）和太阳能电池的应用。在这项工作中，我们提出了一个单层LED，由于能量转移效应，以及一个简单，即时和低成本的方法，其制造。首次提出了一种基于零维（OD）（CH 3 NH3）4PbI 6、二维（2D）（F-C6 H4 CH 2CH 2NH 2）2 PbI 4和三维（3D）（CH 3 NH3）PbI 3 HOIS混合物的LED器件。最终的复合材料表现出简单而独特的能量转移光学效应，而其电致发光表现出激子复合明亮的黄光，峰值在592 nm。在环境空气下制造的LED器件在室温和低电压下容易起作用。至于活性层，其在任何形式的沉积中都表现出基本的膜连续性。最后，使用适当的混合物，可以产生包含相变的膜，其表现出双色发射，在此呈现为黄绿色。
2016-11-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Exciton-Dominated Core-Level Absorption Spectra of Hybrid Organic-Inorganic Lead Halide Perovskites
在理论和实验相结合的工作中，我们研究了X射线吸收近边结构（XANES）光谱的I $L_3$和Pb $M_5$边缘的甲基铵碘化铅（$\textrm{MAPbI}_3$）混合无机-有机钙钛矿和它的二元相$\textrm{PbI}_2$。的吸收起始占主导地位的束缚激子具有相当大的结合能的几百毫电子伏和显着的各向异性。这两种材料的光谱表现出显着的相似性，这表明在$\textrm{MAPbI}_3$的核心激发指纹基本上是由其无机成分，与有机基团的影响可以忽略不计。补充实验观察的理论分析提供了对这种复杂材料进行全面表征所需的概念性见解。
2018-04-18 cond-mat.mtrl-sci
Role of Polar Phonons in the Photo Excited State of Metal Halide Perovskites
高效钙钛矿太阳能电池的发展引发了对这些材料光学特性的大量测量。对于研究最多的甲基铵（MA）PbI $_3$钙钛矿，已经通过各种实验报道了大范围（6-55 meV）的激子结合能。激子在室温下是否存在还不清楚。对于MAPb $X_3$钙钛矿，我们报告相对论$GW$ -BSE计算。该方法能够直接从第一性原理计算激子性质。在低温下，它预测激子结合能与报告的“大”值。对于MAPbI $_3$，在此频率范围内存在的声子模式对离子屏蔽的贡献可以忽略不计。通过从有限温度分子动力学计算极化时间，我们表明，在室温下，这不会改变。因此，我们排除离子屏蔽作为实验观察到的激子结合能在室温下减少的解释。
2016-06-29 cond-mat.mtrl-sci
Perspective: Dielectric and Ferroic Properties of Halide Perovskite Solar Cells
卤化物钙钛矿半导体对电场的响应方式随时间和长度尺度而变化。我们讨论的微观过程，引起这些材料的宏观极化，范围从光学和振动响应的离子和电子的运输。介电常数的强频率依赖性可以通过将静态介电常数分离成其组成部分来理解，包括由于旋转偶极子引起的取向极化，其将理论与实验观察联系起来。铁电性的有争议的问题得到解决，我们强调最近的进展，在材料和域表征，但强调与隔离自发晶格极化从其他过程，如带电缺陷的形成和运输的挑战。我们的结论是CH $_3$ NH $_3$ PbI $_3$表现出铁弹性驻极体的许多特征，其中自发晶格应变耦合到长寿命的亚稳态极化状态。
2018-12-03 cond-mat.mtrl-sci
Spatially resolved studies of the phases and morphology of methylammonium and formamidinium lead tri-halide perovskites
包括MA（甲基铵）PbI $_{3}$、MAPbI $_{3-x}$ Cl $_{x}$、FA（甲脒）PbI $_{3}$和FAPbBr $_{3}$的有机-无机三卤化物钙钛矿家族由于其易于沉积和效率而对光电池领域具有巨大的影响，但是器件性能可能受到不均匀性的显著影响。在这里，我们报告的温度依赖性的微光致发光的研究，显示出强烈的空间不均匀性相关的微晶晶粒的存在下，这可以是光明和黑暗。在所有的三碘化物基材料中，有证据表明，在160 K左右观察到的四方相到正交相变在整个样品上并不均匀地发生，其中畴形成与下面的微晶晶粒有关，其中一些甚至在非常低的温度下仍保持在高温四方相。在低温下，层中的局部缺陷可以显著影响四畴。在FAPbBr $_{3}$中，观察到更宏观的畴结构，其中大量的晶粒形成相关联区域。
2016-06-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Chemically-Localized Resonant Excitons in Silver-Pnictogen Halide Double Perovskites
具有交替的银和磷族元素阳离子的卤化物双钙钛矿是一种新兴的光吸收材料家族，其具有稳健的稳定性和可见光范围内的带隙。然而，在这些系统中的光激发的性质还没有很好地理解，限制了它们的实用性。本文采用从头算多体微扰理论，在$GW$近似下，采用Bethe-Salpeter方程方法计算了双钙钛矿系列Cs $_2$ AgBX $_6$的电子结构和光激发，其中B=Bi $^{3+}$，Sb $^{3+}$，X = Br $^-$，Cl $^-$ .我们发现，这些材料表现出强烈的本地化共振激子的能量从170至434毫电子伏以下的直接带隙。与铅基钙钛矿相比，Cs $_2$ AgBX $_6$激子被计算为非氢的，具有各向异性的有效质量并且对局部场效应敏感，这是它们的化学异质性的结果。我们的计算证明了Wannier-Mott和Elliott模型对这类双钙钛矿的局限性，并有助于对它们的光-物质相互作用进行详细的原子理解。
2021-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Phonon-Mediated Chirality Transfer from Organic Cation to Inorganic lattice in Hybrid Perovskites
Lund University（隆德大学）；Indian Institute of Technology Kharagpur（印度理工学院卡拉格普尔分校）；Uppsala University（乌普萨拉大学）
研究揭示了有机阳离子通过声子介导与无机晶格耦合，实现手性传递的机制，为理解混合材料中的手性响应提供了新途径。
2026-08-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Photophysics of two-dimensional perovskites -- learning from metal halide substitution
尽管它们的电子物理学表现出载流子与晶格之间复杂的相互作用，但迄今为止大多数报告都依赖于单一化合物的研究。除了有机间隔物阳离子的变化之外，组分取代对化学物理学的影响和发射物种的性质，特别是，在很大程度上仍然未被探索。在这里，PEA $_2$ PbBr $_4$，PEA $_2$ PbI $_4$，和PEA $_2$ SnI $_4$通过各种光谱技术进行了研究，揭示了一组复杂的激子跃迁在低温下。我们属性的出现弱的高能量功能的振动进展打破Kasha的规则，并强调，负责的声子不能通过简单的拉曼光谱访问。较低能量的亮峰是由于两个不同的激子，其中上部是亮激子和局域态的卷积，而下部归因于浅缺陷。我们的研究提供了更深入的了解二维钙钛矿的化学物理通过组成替代，并强调了社区目前对这些化合物的化学物理的理解的关键限制。
2021-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Towards understanding the electronic structure of the simpler members of two-dimensional halide-perovskites
本研究针对二维卤化物钙钛矿(BA)$_2$PbI$_4$的电子结构，通过DFT计算和紧束缚模型分析，发现BA配体对费米能级附近能带贡献可忽略，构建了简化的有效TB模型并验证了其有效性，为多体效应研究奠定基础。
2023-07-18 cond-mat.mtrl-sci
A Visible-Frequency Excitonic Reststrahlen Band in (PEA)$_2$PbI$_4$ Slabs
Institute of Physical and Theoretical Chemistry, Julius-Maximilians-University Würzburg（维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学物理与理论化学研究所）
通过传输测量和转移矩阵分析，发现(PEA)$_2$PbI$_4$薄片在低温下由层内激子驱动，形成可见光激子Reststrahlen带，实现近超强激子-光子耦合。
2026-05-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Effect of crystal symmetry of lead halide perovskites on the optical orientation of excitons
本研究在1.6 K下比较四种不同对称性铅卤钙钛矿的激子光学取向，发现高达85%的极化，且不受失谐影响，证明晶体保持空间反演对称性，排除了Dyakonov-Perel自旋弛豫机制。
2024-11-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
High-energy optical transitions and optical constants of CH$_3$NH$_3$PbI$_3$ measured by spectroscopic ellipsometry and spectrophotometry
本文利用变角光谱椭偏仪和分光光度法测定了MAPbI$_3$薄膜在0.73至6.45 eV范围内的光学常数，通过Tauc-Lorentz振子建模和临界点分析发现了新的高能光学跃迁，为器件光学建模与能带结构理解提供了关键数据。
2019-09-09 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Defect tolerance of lead-halide perovskite (100) surface relative to bulk: band bending, surface states, and characteristics of vacancies
本文对比了卤化铅钙钛矿表面与体相的空位特征，发现表面缺陷多形成无害浅能态，且自旋轨道耦合促成了表面缺陷容忍度，解释了其多晶薄膜和纳米结构具备高光电性能的原因。
2024-02-19 cond-mat.mtrl-sci
Low-Temperature Permittivity of Insulating Perovskite Manganites
本文报道了具有反铁磁、绝缘基态的La（1-x）Ca（x）MnO（3）（0<=x<=1）和Ca（1-y）Sr（y）MnO（3）（0<=y<=0.75）在T<= 150 K时的低频（f<=100 kHz）介电常数和电导率的测量结果。静态介电常数由低T极限行为确定。随着T的增加，与电荷载流子跳跃相关的弛豫峰被观察到的结晶性的实部和分析，以确定掺杂剂的结合能。这些数据与一个简单的类氢杂质能级模型一致，并暗示Mn（4+）化合物的有效质量m ~*/m_e~3。特别令人感兴趣的是与组分La（0.2）Ca（0.8）MnO（3）附近的C型反铁磁态相关的大介电常数（~100）。
2004-10-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Stable biexcitons in two-dimensional metal-halide perovskites with strong dynamic lattice disorder
具有在室温下强束缚且稳定的激子的单层、二维有机-无机杂化钙钛矿是用于发光量子光电子学应用的可行半导体。在这样的技术背景下，它是必要的，以全面探索所有的因素-化学，电子和结构-支配强多激子关联。在这里，通过二维相干光谱，我们研究激子多体效应在纯的，单层（PEA）$_2$ PbI $_4$（PEA = phenylethylammonium）。我们确定了室温下双激子--关联两电子两空穴准粒子--的结合能为$44 \pm 5$，meV。非常高的值类似于在其他强激子二维材料，如过渡金属dichalchogenides。重要的是，我们表明，这一结合能增加$\sim25$ %时，冷却到5\，K。我们的工作突出了多激子相关性在这类技术上有前途的，溶液加工材料的重要性，尽管晶格波动和动态无序的强烈影响。
2018-02-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Phonon Screening of Excitons in Semiconductors: Halide Perovskites and Beyond
从头算Bethe-Salpeter方程（BSE）方法是研究材料中激子的一种既定方法，通常在仅捕获电子静态屏蔽的限制下求解。在这里，我们推广这个框架，也包括动力学屏蔽声子在最低阶的电子-声子相互作用。我们将这种广义BSE方法应用于一系列无机卤化铅钙钛矿CsPbX 3，其中X = Cl，Br和I。我们发现，包括屏蔽声子显着降低了计算的激子结合能这些系统。通过推导一个简单的表达式声子屏蔽效应，我们揭示了一般的趋势，声子屏蔽效应的重要性，在半导体和绝缘体，基于类氢激子模型。我们证明，在各向同性材料中的声子屏蔽校正的幅度可以可靠地预测使用四种材料的具体参数：约化的有效质量，静态和光学介电常数，和最强耦合的LO声子模式的声子频率。这个框架有助于阐明声子屏蔽的重要性及其与半导体中激子性质的关系。
2021-06-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Small hole polarons in yellow phase $δ$-CsPbI$_3$
本研究通过计算发现黄色相δ-CsPbI3中存在形成能为-96 meV的小空穴极化子，该极化子稳定且具有0.3 ps寿命，可能解释了其在钙钛矿白光LED自陷发射中的作用。
2025-05-22 cond-mat.mtrl-sci
Role of Inorganic Cations in the Excitonic Properties of Lead Halide Perovskites
本研究通过多种理论计算方法探究了不同无机阳离子对APbI₃型碘化铅钙钛矿激子特性的影响，揭示了不同能区激子的束缚特征、来源及与光增益等性能的关联。
2024-01-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Determination of the exciton binding energy and effective masses for the methylammonium and formamidinium lead tri-halide perovskite family
有机-无机卤化物钙钛矿材料家族由于其高功率转换效率而在光致发光领域中产生了巨大的兴趣。基于原型甲基铵（MA）和最近引入的甲脒（FA）材料的电池已经得到了深入的发展，然而，关于它们的基本电子性质仍然存在相当大的争议。两个最重要的参数是激子的结合能（R $^{*}$）及其约化有效质量$μ$。在这里，我们提出了广泛的磁光研究的Cl辅助生长MAPbI $_{3}$以及MAPbBr $_{3}$和FA为基础的材料FAPbI $_{3}$和FAPbBr $_{3}$。我们将激子态作为类氢原子在磁场中的态进行拟合，并将自由载流子的朗道能级进行拟合，得到R $^{*}$和$μ$。激子结合能的值在低温相中在14 - 25 meV的范围内，并且对于三碘化物在较高温度下显著下降，这与由这些材料制成的所有器件中的自由载流子行为一致。R $^{*}$和$μ$都与带隙近似成比例地增加，并且质量值0.09-0.117 m $_{0}$与能带结构的简单\textbf{k.p}微扰方法一致，该方法可以概括为预测该钙钛矿材料家族的其他成员的有效质量和结合能的值。
2015-11-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Single Best Fits Can Be Misleading: Resolving Common Trapping Signatures across FA--Cs Perovskites
Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB)（亥姆霍兹柏林中心）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；South Denmark University (SDU)（南丹麦大学）
本研究通过结合时间分辨光致发光、SRH模型和贝叶斯推断，在FA-Cs钙钛矿系列中识别出共同的陷阱特征，揭示了陷阱填充的普遍性及限制性能的非辐射复合通道。
2026-09-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
