Hybrid germanium iodide perovskite semiconductors: Active lone pairs, structural distortions, direct and indirect energy gaps, and strong nonlinear optical properties

Journal of the American Chemical Society

Volumn 137, Issue 21, 2015, Pages 6804-6819

  Stoumpos, Constantinos C ^a   Frazer, Laszlo ^a   Clark, Daniel J ^b   Kim, Yong Soo ^b,c   Rhim, Sonny H ^a,c   Freeman, Arthur J ^a   Ketterson, John B ^a   Jang, Joon I ^b   Kanatzidis, Mercouri G ^a  

^a NORTHWESTERN UNIVERSITY   (United States)

^b BINGHAMTON UNIVERSITY   (United States)

^c University of Ulsan   (South Korea)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CALCULATIONS; CRYSTAL STRUCTURE; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTRONIC STRUCTURE; ENERGY GAP; GERMANIUM; HARMONIC GENERATION; LASER DAMAGE; OPTICAL PROPERTIES; PEROVSKITE;

ELECTRONIC STRUCTURE CALCULATIONS; FIRST-PRINCIPLES DENSITY FUNCTIONAL THEORY; LASER INDUCED DAMAGE THRESHOLDS; NON-LINEAR OPTICAL PROPERTIES; ORGANIC/INORGANIC; PEROVSKITE COMPOUNDS; SECOND-ORDER NONLINEAR SUSCEPTIBILITY; STRUCTURAL DISTORTIONS;

NONLINEAR OPTICS;

ACETAMIDINIUM; AMIDINE; AMMONIUM DERIVATIVE; CATION; FORMAMIDINIUM; GERMANIUM; GUANIDINE; ISOPROPYLAMMONIUM; METHYLAMMONIUM; PEROVSKITE; TRIMETHYLAMMONIUM SALT DERIVATIVE; UNCLASSIFIED DRUG;

ABSORPTION; ARTICLE; CONTROLLED STUDY; CRYSTAL STRUCTURE; DENSITY; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; OPTICS; PRECIPITATION; SEMICONDUCTOR; SYNTHESIS;

EID: 84930623557     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jacs.5b01025     Document Type: Article

References (94)

1. Chung, I.; Lee, B.; He, J.; Chang, R. P. H.; Kanatzidis, M. G. Nature 2012, 485, 486
2. Lee, M. M.; Teuscher, J.; Miyasaka, T.; Murakami, T. N.; Snaith, H. J. Science 2012, 338, 643
3. Burschka, J.; Pellet, N.; Moon, S.-J.; Humphry-Baker, R.; Gao, P.; Nazeeruddin, M. K.; Gratzel, M. Nature 2013, 499, 316
4. Liu, M.; Johnston, M. B.; Snaith, H. J. Nature 2013, 501, 395
5. Snaith, H. J. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3623
6. Zhou, H.; Chen, Q.; Li, G.; Luo, S.; Song, T.-b.; Duan, H.-S.; Hong, Z.; You, J.; Liu, Y.; Yang, Y. Science 2014, 345, 542
7. Xing, G.; Mathews, N.; Lim, S. S.; Yantara, N.; Liu, X.; Sabba, D.; Grätzel, M.; Mhaisalkar, S.; Sum, T. C. Nat. Mater. 2014, 13, 476
8. Stoumpos, C. C.; Malliakas, C. D.; Peters, J. A.; Liu, Z.; Sebastian, M.; Im, J.; Chasapis, T. C.; Wibowo, A. C.; Chung, D. Y.; Freeman, A. J.; Wessels, B. W.; Kanatzidis, M. G. Cryst. Growth Des. 2013, 13, 2722
9. He, Y.; Galli, G. Chem. Mater. 2014, 26, 5394
10. Jin, H.; Im, J.; Freeman, A. J. Phys. Rev. B 2012, 86, 121102
11. Yang, K.; Setyawan, W.; Wang, S.; Buongiorno Nardelli, M.; Curtarolo, S. Nat. Mater. 2012, 11, 614
12. Kim, M.; Im, J.; Freeman, A. J.; Ihm, J.; Jin, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2014, 111, 6900
13. Nie, W. Adv. Mater. 1993, 5, 520
14. Pantazis, P.; Maloney, J.; Wu, D.; Fraser, S. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2010, 107, 14535
15. Franken, P. A.; Hill, A. E.; Peters, C. W.; Weinreich, G. Phys. Rev. Lett. 1961, 7, 118
16. Dmitriev, V. G.; Gurzadyan, G. G.; Nikogosyan, D. N. Handbook of Nonlinear Optical Crystals; 3 rd rev. ed.; Springer-Verlag: Heidelberg, 1999; Vol. 64.
17. Li, H.; Peters, J. A.; Liu, Z.; Sebastian, M.; Malliakas, C. D.; Androulakis, J.; Zhao, L.; Chung, I.; Nguyen, S. L.; Johnsen, S.; Wessels, B. W.; Kanatzidis, M. G. Cryst. Growth Des. 2012, 12, 3250
18. Bera, T. K.; Jang, J. I.; Song, J.-H.; Malliakas, C. D.; Freeman, A. J.; Ketterson, J. B.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 3484
19. Bera, T. K.; Jang, J. I.; Ketterson, J. B.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 75
20. Bera, T. K.; Song, J.; Freeman, A. J.; Jang, J. I.; Ketterson, J. B.; Kanatzidis, M. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47, 7828
21. Banerjee, S.; Malliakas, C. D.; Jang, J. I.; Ketterson, J. B.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12270
22. Chung, I.; Song, J.; Jang, J. I.; Freeman, A. J.; Ketterson, J. B.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 2647
23. Chung, I.; Jang, J. I.; Malliakas, C. D.; Ketterson, J. B.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 384
24. Chung, I.; Malliakas, C. D.; Jang, J. I.; Canlas, C. G.; Weliky, D. P.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 14996
25. Morris, C. D.; Chung, I.; Park, S.; Harrison, C. M.; Clark, D. J.; Jang, J. I.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20733
26. Stoumpos, C. C.; Malliakas, C. D.; Kanatzidis, M. G. Inorg. Chem. 2013, 52, 9019
27. Trots, D. M.; Myagkota, S. V. J. Phys. Chem. Solids 2008, 69, 2520
28. Chung, I.; Song, J.-H.; Im, J.; Androulakis, J.; Malliakas, C. D.; Li, H.; Freeman, A. J.; Kenney, J. T.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8579
29. Thiele, G.; Rotter, H. W.; Schmidt, K. D. Z. Anorg. Allg. Chem. 1987, 545, 148
30. Thiele, G.; Rotter, H. W.; Schmidt, K. D. Z. Anorg. Allg. Chem. 1989, 571, 60
31. Tang, L.-C.; Chang, C.-S.; Huang, J. Y. J. Phys.: Condens. Matter 2000, 12, 9129
32. Rosker, M. J.; Cunningham, P. H.; Ewbank, M. D.; Gunter, P. (Boeing North American, Inc.) US005721634A, 1998.
33. Gu, Q. T.; Pan, Q. W.; Shi, W.; Sun, X.; Fang, C. S. Prog. Cryst. Growth Charact. Mater. 2000, 40, 89
34. Gu, Q. T.; Fang, C. S.; Shi, W.; Wu, X. W.; Pan, Q. W. J. Cryst. Growth 2001, 225, 501
35. Tang, L. C.; Huang, J. Y.; Chang, C. S.; Lee, M. H.; Liu, L. Q. J. Phys.: Condens. Matter 2005, 17, 7275
36. Lin, Z. G.; Tang, L. C.; Chou, C. P. J. Phys.: Condens. Matter 2007, 19 476209
37. Lin, Z.-G.; Tang, L.-C.; Chou, C.-P. J. Cryst. Growth 2008, 310, 3224
38. Lin, Z. G.; Tang, L. C.; Chou, C. P. Opt. Mater. 2008, 31, 28
39. Lin, Z. G.; Tang, L. C.; Chou, C. P. Inorg. Chem. 2008, 47, 2362
40. Tang, L. C.; Chang, Y. C.; Huang, J. Y.; Chang, C. S. In Infrared and Photoelectronic Imagers and Detector Devices II; Longshore, R. E.; Sood, A., Eds.; SPIE-Int Soc Optical Engineering: Bellingham, 2006; Vol. 6294, p J2940.
41. Tang, L. C.; Chang, Y. C.; Huang, J. Y.; Lee, M. H.; Chang, C. S. Jpn. J. Appl. Phys. 2009, 48, 112402
42. Katan, C.; Pedesseau, L.; Kepenekian, M.; Rolland, A.; Even, J. J. Mater Chem. A 2015, 3, 9232
43. Yamada, K.; Isobe, K.; Okuda, T.; Furukawa, Y. Z. Naturforsch., A 1994, 49, 258
44. Yamada, K.; Isobe, K.; Tsuyama, E.; Okuda, T.; Furukawa, Y. Solid State Ionics 1995, 79, 152
45. Mitzi, D. B. Chem. Mater. 1996, 8, 791
46. Okuda, T.; Gotou, S.; Takahashi, T.; Terao, H.; Yamada, K. Z. Naturforsch., A 1996, 51, 686
47. Mikkelsen, J. J. C.; Kildal, H. J. Appl. Phys. 1978, 49, 426
48. Sheldrick, G. Acta Crystallogr., Sect. A 2008, 64, 112
49. Spek, A. Acta Crystallogr., Sect. D 2009, 65, 148
50. Farrugia, L. J. Appl. Crystallogr. 2012, 45, 849
51. Aroyo, M. I.; Kirov, A.; Capillas, C.; Perez-Mato, J. M.; Wondratschek, H. Acta Crystallogr., Sect. A 2006, 62, 115
52. Aroyo Mois, I.; Perez-Mato Juan, M.; Capillas, C.; Kroumova, E.; Ivantchev, S.; Madariaga, G.; Kirov, A.; Wondratschek, H. Z. Kristallogr. 2006, 221, 15
53. Jansen, H. J. F.; Freeman, A. J. Phys. Rev. B 1984, 30, 561
54. Wimmer, E.; Krakauer, H.; Weinert, M.; Freeman, A. J. Phys. Rev. B 1981, 24, 864
55. Hedin, L.; Lundqvist, B. I. J. Phys. C: Solid State Phys. 1971, 4, 2064
56. Sipe, J. E.; Ghahramani, E. Phys. Rev. B 1993, 48, 11705
57. Aversa, C.; Sipe, J. E. Phys. Rev. B 1995, 52, 14636
58. Hughes, J. L. P.; Sipe, J. E. Phys. Rev. B 1996, 53, 10751
59. Rashkeev, S. N.; Lambrecht, W. R. L.; Segall, B. Phys. Rev. B 1998, 57, 3905
60. Rashkeev, S. N.; Lambrecht, W. R. L. Phys. Rev. B 2001, 63, 165212
61. Kanatzidis, M. G.; Huang, S.-P. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 1989, 28, 1513
62. Huang, S. P.; Kanatzidis, M. G. Inorg. Chem. 1991, 30, 1455
63. Kanatzidis, M. G. Phosphorus, Sulfur Silicon Relat. Elem. 1994, 93, 159
64. Kim, K.-W.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 8124
65. Kortüm, G.; Braun, W.; Herzog, G. Angew. Chem. 1963, 75, 653
66. McCarthy, T. J.; Tanzer, T. A.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 1294
67. Larson, P.; Mahanti, S. D.; Kanatzidis, M. G. Phys. Rev. B 2000, 61, 8162
68. Trikalitis, P. N.; Rangan, K. K.; Bakas, T.; Kanatzidis, M. G. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 12255
69. Larson, P.; Mahanti, S. D.; Kanatzidis, M. G. Phys. Rev. B 2000, 61, 8162
70. Ozisik, H.; Colakoglu, K.; Ozisik, H. B.; Deligoz, E. Comput. Mater. Sci. 2010, 50, 349
71. Tauc, J. Mater. Res. Bull. 1968, 3, 37
72. Novoselova, A. V.; Todriya, M. K.; Odin, I. N.; Popovkin, B. A. Inorg. Mater. 1971, 7, 1125
73. Nakamoto, K. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds; 6 th ed.; John Wiley & Sons Inc.: Hoboken, NJ, 2009.
74. Kurtz, S. K.; Perry, T. T. J. Appl. Phys. 1968, 39, 3798
75. Canarelli, P.; Benko, Z.; Hielscher, A. H.; Curl, R. F.; Tittel, F. K. IEEE J. Quantum Electron. 1992, 28, 52
76. Zhi-Guang, L.; Li-Chuan, T.; Chang-Pin, C. J. Phys.: Condens. Matter 2007, 19, 476209
77. Lin, Z.-G.; Tang, L.-C.; Chou, C.-P. J. Cryst. Growth 2008, 310, 3224
78. Yamada, K.; Mikawa, K.; Okuda, T.; Knight, K. S. J. Chem. Soc., Dalton Trans. 2002, 2112
79. Haynes, A. S.; Saouma, F. O.; Otieno, C. O.; Clark, D. J.; Shoemaker, D. P.; Jang, J. I.; Kanatzidis, M. G. Chem. Mater. 2015, 27, 1837
80. Jang, J. I.; Park, S.; Harrison, C. M.; Clark, D. J.; Morris, C. D.; Chung, I.; Kanatzidis, M. G. Opt. Lett. 2013, 38, 1316
81. Jackson, A. G.; Ohmer, M. C.; LeClair, S. R. Infrared Phys. Technol. 1997, 38, 233
82. Song, J.-H.; Freeman, A. J.; Bera, T. K.; Chung, I.; Kanatzidis, M. G. Phys. Rev. B 2009, 79, 245203
83. Weber, M. J. Handbook of Optical Materials; CRC Press: Boca Raton, FL, 2002.
84. Li-Chuan, T.; Li-Qiang, L.; Yia-Chung, C.; Jui-hsien, Y.; Jung-Yau, H.; Chen-Shiung, C. Jpn. J. Appl. Phys. 2009, 48, 082001
85. Jang, J. I.; Haynes, A. S.; Saouma, F. O.; Otieno, C. O.; Kanatzidis, M. G. Opt. Mater. Express 2013, 3, 1302
86. Jang, J. I.; Clark, D. J.; Brant, J. A.; Aitken, J. A.; Kim, Y. S. Opt. Lett. 2014, 39, 4579
87. Brant, J. A.; Clark, D. J.; Kim, Y. S.; Jang, J. I.; Weiland, A.; Aitken, J. A. Inorg. Chem. 2015, 54, 2809
88. Sheik-Bahae, M.; Hutchings, D. C.; Hagan, D. J.; Van Stryland, E. W. IEEE J. Quantum Electron. 1991, 27, 1296
89. Boyd, R. W. Nonlinear Optics; 3 rd ed.; Academic Press: San Diego, CA, 2008.
90. Ravindra, N. M.; Ganapathy, P.; Choi, J. Infrared Phys. Technol. 2007, 50, 21
91. Nikogosyan, D. N. Nonlinear Optical Crystals: A Complete Survey; 1 st ed.; Springer-Verlag: New York, 2005.
92. Brandi, H. S.; Araujos, C. B. d. J. Phys. C: Solid State Phys. 1983, 16, 5929
93. He, J.; Qu, Y.; Li, H.; Mi, J.; Ji, W. Opt. Express 2005, 13, 9235
94. Setyawan, W.; Curtarolo, S. Comput. Mater. Sci. 2010, 49, 299