Orientation arrangement of methylammonium ions in hybrid organic−inorganic perovskite is still under debate because their tendency for alignment is expected to give rise to either ferroelectric or anti-ferroelectric behavior, which may influence the perovskite device performance. To resolve the debate surrounding the alignment of the organic cations in perovskite materials, we studied the dipole orientation by analysing the dielectric properties of the material. The dielectric permittivity has been investigated as a function of temperature with the data analysed using the Kirkwood–Fröhlich–Onsager theory. From these results, we provide experimental evidence of the anti-parallel arrangement of methylammonium ions in hybrid organic−inorganic perovskite.

1.
See http://www.nrel.gov/ncpv for National Renewable Energy Laboratory; accessed 12th September 2016.
2.
A.
Poglitsch
and
D.
Weber
,
J. Chem. Phys.
87
,
6373
(
1987
).
3.
T. M.
Brenner
,
D. A.
Egger
,
L.
Kronik
,
G.
Hodes
, and
D.
Cahen
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
15007
(
2016
).
4.
Q.
Lin
,
A.
Armin
,
R. C. R.
Nagiri
,
P. L.
Burn
, and
P.
Meredith
,
Nat. Photonics
9
,
106
(
2014
).
5.
A. J.
Neukirch
,
W.
Nie
,
J.-C.
Blancon
,
K.
Appavoo
,
H.
Tsai
,
M. Y.
Sfeir
,
C.
Katan
,
J.
Even
,
J. J.
Crochet
,
G.
Gupta
,
A.
Mohite
, and
S.
Tretiak
,
Nano Lett.
16
,
3809
(
2016
).
6.
X. Y.
Zhu
and
V.
Podzorov
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4758
(
2015
).
7.
S.
Collavini
,
S. F.
Völker
, and
J. L.
Delgado
,
Angew. Chem. - Int. Ed.
54
,
9757
(
2015
).
8.
E.
Edri
,
S.
Kirmayer
,
S.
Mukhopadhyay
,
K.
Gartsman
,
G.
Hodes
, and
D.
Cahen
,
Nat. Commun.
5
,
3461
(
2014
).
9.
E. J.
Juarez-Perez
,
R. S.
Sanchez
,
L.
Badia
,
G.
Garcia-Belmonte
,
Y. S.
Kang
,
I.
Mora-Sero
, and
J.
Bisquert
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
2390
(
2014
).
10.
D. P.
Almond
and
C. R.
Bowen
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1736
(
2015
).
11.
J. G.
Kirkwood
,
J. Chem. Phys.
7
,
911
(
1939
).
12.
A. D.
Buckingham
,
Proc. R. Soc. London, Ser. A
238
,
235
(
1956
).
13.
B.
Chen
,
J.
Shi
,
X.
Zheng
,
Y.
Zhou
,
K.
Zhu
, and
S.
Priya
,
J. Mater. Chem. A
3
,
7699
(
2015
).
14.
J.
Wei
,
Y.
Zhao
,
H.
Li
,
G.
Li
,
J.
Pan
,
D.
Xu
,
Q.
Zhao
, and
D.
Yu
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
3937
(
2014
).
15.
T. S.
Sherkar
and
L.
Jan Anton Koster
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
331
(
2016
).
16.
S.
Liu
,
F.
Zheng
,
N. Z.
Koocher
,
H.
Takenaka
,
F.
Wang
, and
A. M.
Rappe
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
693
(
2015
).
17.
A.
Pecchia
,
D.
Gentilini
,
D.
Rossi
,
M.
Auf Der Maur
, and
A.
Di Carlo
,
Nano Lett.
16
,
988
(
2016
).
18.
J. M.
Frost
,
K. T.
Butler
,
F.
Brivio
,
C. H.
Hendon
,
M.
van Schilfgaarde
, and
A.
Walsh
,
Nano Lett.
14
,
2584
(
2014
).
19.
C. B.
Sawyer
and
C. H.
Tower
,
Phys. Rev.
35
,
269
(
1930
).
20.
M.
Dawber
,
K. M.
Rabe
, and
J. F.
Scott
,
Rev. Mod. Phys.
77
,
1083
(
2005
).
21.
O.
Almora
,
A.
Guerrero
, and
G.
Garcia-Belmonte
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
043903
(
2016
).
22.
Z.
Fan
,
J.
Xiao
,
K.
Sun
,
L.
Chen
,
Y.
Hu
,
J.
Ouyang
,
K. P.
Ong
,
K.
Zeng
, and
J.
Wang
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1155
(
2015
).
23.
H.-S.
Kim
,
S. K.
Kim
,
B. J.
Kim
,
K.-S.
Shin
,
M. K.
Gupta
,
H. S.
Jung
,
S.-W.
Kim
, and
N.-G.
Park
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1729
(
2015
).
24.
D.
Seol
,
G. S.
Han
,
C.
Bae
,
H.
Shin
,
H. S.
Jung
, and
Y.
Kim
,
J. Mater. Chem. A
2
,
20352
(
2015
).
25.
Y.
Kutes
,
L.
Ye
,
Y.
Zhou
,
S.
Pang
,
B. D.
Huey
, and
N. P.
Padture
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
3335
(
2014
).
26.
A. M. A.
Leguy
,
J. M.
Frost
,
A. P.
McMahon
,
V. G.
Sakai
,
W.
Kochelmann
,
C.
Law
,
X.
Li
,
F.
Foglia
,
A.
Walsh
,
B. C.
O'Regan
,
J.
Nelson
,
J. T.
Cabral
, and
P. R. F.
Barnes
,
Nat. Commun.
6
,
7124
(
2015
).
27.
C.
Goehry
,
G. A.
Nemnes
, and
A.
Manolescu
,
J. Phys. Chem. C
119
,
19674
(
2015
).
28.
A.
Stroppa
,
C.
Quarti
,
F.
De Angelis
, and
S.
Picozzi
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
2223
(
2015
).
29.
A.
Mattoni
,
A.
Filippetti
,
M. I.
Saba
, and
P.
Delugas
,
J. Phys. Chem. C
119
,
17421
(
2015
).
30.
P.
Ben Ishai
,
M. S.
Talary
,
A.
Caduff
,
E.
Levy
, and
Y.
Feldman
,
Meas. Sci. Technol.
24
,
102001
(
2013
).
31.
A. A.
Khamzin
,
I. I.
Popov
, and
R. R.
Nigmatullin
,
Phys. Rev. E.
89
,
032303
(
2014
).
32.
D.
Forgács
,
M.
Sessoloa
, and
H. J.
Bolink
,
J. Mater. Chem. A
3
,
14121
(
2015
).
33.
W.
Zhang
,
M.
Saliba
,
D. T.
Moore
,
S. K.
Pathak
,
M. T.
Hörantner
,
T.
Stergiopoulos
,
S. D.
Stranks
,
G. E.
Eperon
,
J. A.
Alexander-Webber
,
A.
Abate
,
A.
Sadhanala
,
S.
Yao
,
Y.
Chen
,
R. H.
Friend
,
L. A.
Estroff
,
U.
Wiesner
, and
H. J.
Snaith
,
Nat. Commun.
6
,
6142
(
2015
).
34.
N.
Onoda-Yamamuro
,
T.
Matsuo
, and
H.
Suga
,
J. Phys. Chem. Solids
53
,
935
(
1992
).
35.
M. T.
Weller
,
O. J.
Weber
,
P. F.
Henry
,
A. M.
Di Pumpo
, and
T. C.
Hansen
,
Chem. Commun.
51
,
4180
(
2015
).
36.
C.
Wehrenfennig
,
M.
Liu
,
H. J.
Snaith
,
M. B.
Johnston
, and
L. M.
Herz
,
APL Mater.
2
,
081513
(
2014
).
37.
D.
Li
,
G.
Wang
,
H.-C.
Cheng
,
C.-Y.
Chen
,
H.
Wu
,
Y.
Liu
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Commun.
7
,
11330
(
2015
).
38.
N.
Onoda-Yamamuro
,
T.
Matsuo
, and
H.
Suga
,
J. Phys. Chem. Solids
51
,
1383
(
1990
).
39.
T.
Chen
,
B. J.
Foley
,
B.
Ipek
,
M.
Tyagi
,
J. R. D.
Copley
,
C. M.
Brown
,
J. J.
Choi
, and
S.-H.
Lee
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
31278
(
2015
).
40.
41.
L.
Onsager
,
J. Am. Chem. Soc.
58
,
1486
(
1936
).
42.
F.
Kremer
and
A.
Schonhals
,
Broadband Dielectric Spectroscopy
(
Springer
,
New York
,
2003
), p.
9
.
43.
G.
Rupprecht
and
R. O.
Bell
,
Phys. Rev.
135
,
A748
(
1964
).
44.
M.
Trainer
,
Am. J. Phys.
69
,
966
(
2001
).
45.
F.
Brivio
,
A. B.
Walker
, and
A.
Walsh
,
APL Mater.
1
,
042111
(
2013
).
46.
F.
Zheng
,
H.
Takenaka
,
F.
Wang
,
N. Z.
Koocher
, and
A. M.
Rappe
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
31
(
2015
).
47.
C.
Quarti
,
G.
Grancini
,
E.
Mosconi
,
P.
Bruno
,
J. M.
Ball
,
M. M.
Lee
,
H. J.
Snaith
,
A.
Petrozza
, and
F.
De Angelis
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
279
(
2014
).
48.
J. H.
Lee
,
J.-H.
Lee
,
E.-H.
Kong
, and
H. M.
Jang
,
Sci. Rep.
6
,
21687
(
2016
).
49.
I.
Deretzis
,
B. N.
Di Mauro
,
A.
Alberti
,
G.
Pellegrino
,
E.
Smecca
, and
A.
La Magna
,
Sci. Rep.
6
,
24443
(
2016
).
50.
A. A.
Bakulin
,
O.
Selig
,
H. J.
Bakker
,
Y. L. A.
Rezus
,
C.
Muller
,
T.
Glaser
,
R.
Lovrincic
,
Z.
Sun
,
Z.
Chen
,
A.
Walsh
,
J. M.
Frost
, and
T. L. C.
Jansen
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
3663
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.