Lead halide perovskites have emerged as promising absorber materials over the last decade to increase the efficiency of photovoltaics beyond its current limits. However, to further optimize the performance of perovskites more detailed studies need to be performed, which allow for the correlation of film morphology and local electronic properties at the nanoscale. Here, we present a scanning tunneling microscopy (STM) approach to probe the effect of an applied electric field of a methylammonium formamidinium lead triiodide perovskite thin film on the film response by current–voltage spectroscopy, current imaging tunneling spectroscopy, differential conductance mapping, and x-ray absorption spectroscopy by means of synchrotron x-ray STM. We find a strong correlation between the measurement conditions and the obtained current–voltage characteristics when imaging under opposite bias polarities. In particular, we find similarities to already observed poling effects for lead halide perovskites, which result in either a positively or negatively charged interface due to ion and vacancy migration. Our results provide insight into the influence of measurement conditions such as bias polarity on the performance assessment of perovskite thin films by STM.

1.
D. P.
McMeekin
,
G.
Sadoughi
,
W.
Rehman
,
G. E.
Eperon
,
M.
Saliba
,
M. T.
Hörantner
,
A.
Haghighirad
,
N.
Sakai
,
L.
Korte
,
B.
Rech
,
M. B.
Johnston
,
L. M.
Herz
, and
H. J.
Snaith
,
Science
351
,
151
(
2016
).
2.
J.
Berry
,
T.
Buonassisi
,
D. A.
Egger
,
G.
Hodes
,
L.
Kronik
,
Y.-L.
Loo
,
I.
Lubomirsky
,
S. R.
Marder
,
Y.
Mastai
,
J. S.
Miller
,
D. B.
Mitzi
,
Y.
Paz
,
A. M.
Rappe
,
I.
Riess
,
B.
Rybtchinski
,
O.
Stafsudd
,
V.
Stevanovic
,
M. F.
Toney
,
D.
Zitoun
,
A.
Kahn
,
D.
Ginley
, and
D.
Cahen
,
Adv. Mater.
27
,
5102
(
2015
).
3.
S. D.
Stranks
,
G. E.
Eperon
,
G.
Grancini
,
C.
Menelaou
,
M. J. P.
Alcocer
,
T.
Leijtens
,
L. M.
Herz
,
A.
Petrozza
, and
H. J.
Snaith
,
Science
342
,
341
(
2013
).
4.
Y.
Dong
,
Y.
Fang
,
Y.
Shao
,
P.
Mulligan
,
J.
Qiu
,
L.
Cao
, and
J.
Huang
,
Science
347
,
967
(
2015
).
5.
G.
Xing
,
N.
Mathews
,
S.
Sun
,
S. S.
Lim
,
Y. M.
Lam
, and
M.
Grätzel
,
Science
342
,
344
(
2013
).
6.
W.
Tress
,
N.
Marinova
,
O.
Inganäs
,
M. K.
Nazeeruddin
,
S. M.
Zakeeruddin
, and
M.
Graetzel
,
Adv. Energy Mater.
5
,
1400812
(
2014
).
7.
J. L.
Garrett
,
E. M.
Tennyson
,
M.
Hu
,
J.
Huang
,
J. N.
Munday
, and
M. S.
Leite
,
Nano Lett.
17
,
2554
(
2017
).
8.
S.
Wieghold
,
J.-P.
Correa-Baena
,
L.
Nienhaus
,
S.
Sun
,
K. E.
Shulenberger
,
Z.
Liu
,
J. S.
Tresback
,
S. S.
Shin
,
M. G.
Bawendi
, and
T.
Buonassisi
,
ACS Appl. Energy Mater.
1
,
6801
(
2018
).
9.
S.
Wieghold
,
J.
Tresback
,
J.-P.
Correa-Baena
,
N. T. P.
Hartono
,
S.
Sun
,
Z.
Liu
,
M.
Layurova
,
Z. A.
VanOrman
,
A. S.
Bieber
,
J.
Thapa
,
B.
Lai
,
Z.
Cai
,
L.
Nienhaus
, and
T.
Buonassisi
,
Chem. Mater.
31
,
3712
(
2019
).
10.
S. Y.
Leblebici
,
L.
Leppert
,
Y.
Li
,
S. E.
Reyes-Lillo
,
S.
Wickenburg
,
E.
Wong
,
J.
Lee
,
M.
Melli
,
D.
Ziegler
,
D. K.
Angell
,
F.
Ogletree
,
P.
Ashby
,
F. M.
Toma
,
J. B.
Neaton
,
I. D.
Sharp
, and
A.
Weber-Bargioni
,
Nat. Energy
1
,
16093
(
2016
).
11.
K.
Kutes
,
Y.
Zhou
,
J. L.
Bosse
,
J.
Steffes
,
N. P.
Padture
, and
B. D.
Huey
,
Nano Lett.
16
,
3434
(
2016
).
12.
J. S.
Yun
,
J.
Seidel
,
J.
Kim
,
A. M.
Soufiani
,
S.
Huang
,
J.
Lau
,
N. J.
Jeon
,
S. I.
Seok
,
M. A.
Green
, and
A.
Ho-Baillie
,
Adv. Energy Mater.
6
,
1600330
(
2016
).
13.
J. S.
Yun
,
A.
Ho-Baillie
,
S.
Huang
,
S. H.
Woo
,
Y.
Heo
,
J.
Seidel
,
F.
Huang
,
Y.-B.
Cheng
, and
M. A.
Green
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
875
(
2015
).
14.
S.
Wieghold
and
L.
Nienhaus
,
Joule
4
,
524
(
2020
).
15.
R.
Ohmann
,
L. K.
Ono
,
H.-S.
Kim
,
H.
Lin
,
M. V.
Lee
,
Y.
Li
,
N.-G.
Park
, and
Y.
Qi
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
16049
(
2015
).
16.
L.
She
,
M.
Liu
, and
D.
Zhong
,
ACS Nano
10
,
1126
(
2016
).
17.
B.
Murali
,
S.
Dey
,
A. L.
Abdelhady
,
W.
Peng
,
E.
Alarousu
,
A. R.
Kirmani
,
N.
Cho
,
S. P.
Sarmah
,
M. R.
Parida
,
M. I.
Saidaminov
,
A. A.
Zhumekenov
,
J.
Sun
,
M. S.
Alias
,
E.
Yengel
,
B. S.
Ooi
,
A.
Amassian
,
O. M.
Bakr
, and
O. F.
Mohammed
,
ACS Energy Lett.
1
,
1119
(
2016
).
18.
Y.
Liu
,
K.
Palotas
,
X.
Yuan
,
T.
Hou
,
H.
Lin
,
Y.
Li
, and
S.-T.
Lee
,
ACS Nano
11
,
2060
(
2017
).
19.
J.
Hieulle
,
X.
Wang
,
C.
Stecker
,
D.-Y.
Son
,
L.
Qiu
,
R.
Ohmann
,
L. K.
Ono
,
A.
Mugarza
,
Y.
Yan
, and
Y.
Qi
,
J. Am. Chem. Soc.
141
,
3515
(
2019
).
20.
H.-C.
Hsu
,
B.-C.
Huang
,
S.-C.
Chin
,
C.-R.
Hsing
,
D.-L.
Nguyen
,
M.
Schnedler
,
R.
Sankar
,
R. E.
Dunin-Borkowski
,
C.-M.
Wei
,
C.-W.
Chen
,
P.
Ebert
, and
Y.-P.
Chiu
,
ACS Nano
13
,
4402
(
2019
).
21.
L. K.
Ono
and
Y.
Qi
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
4764
(
2016
).
22.
T.
Gallet
,
D.
Grabowski
,
T.
Kirchartz
, and
A.
Redinger
,
Nanoscale
11
,
16828
(
2019
).
23.
L.
Nienhaus
,
S.
Wieghold
,
D.
Nguyen
,
J. W.
Lyding
,
G. E.
Scott
, and
M.
Gruebele
,
ACS Nano
9
,
10563
(
2015
).
24.
D. A.
Egger
,
A. M.
Rappe
, and
L.
Kronik
,
Acc. Chem. Res.
49
,
573
(
2016
).
25.
F.
Brivio
,
J. M.
Frost
,
J. M.
Skelton
,
A. J.
Jackson
,
O. J.
Weber
,
M. T.
Weller
,
A. R.
Goñi
,
A. M. A.
Leguy
,
P. R. F.
Barnes
, and
A.
Walsh
,
Phys. Rev. B
92
,
144308
(
2015
).
26.
A.
Marronnier
,
G.
Roma
,
S.
Boyer-Richard
,
L.
Pedesseau
,
J.-M.
Jancu
,
Y.
Bonnassieux
,
C.
Katan
,
C. C.
Stoumpos
,
M. G.
Kanatzidis
, and
J.
Even
,
ACS Nano
12
,
3477
(
2018
).
27.
S.
Wieghold
,
A. S.
Bieber
,
Z. A.
VanOrman
,
L.
Daley
,
M.
Leger
,
J.-P.
Correa-Baena
, and
L.
Nienhaus
,
Matter
1
,
705
(
2019
).
28.
S.
Wieghold
and
L.
Nienhaus
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
601
(
2020
).
29.
S.
Wieghold
,
A. S.
Bieber
,
Z. A.
VanOrman
, and
L.
Nienhaus
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
3806
(
2019
).
30.
J.-P.
Correa-Baena
,
Y.
Luo
,
T. M.
Brenner
,
J.
Snaider
,
S.
Sun
,
X.
Li
,
M. A.
Jensen
,
N. T. P.
Hartono
,
L.
Nienhaus
,
S.
Wieghold
,
J. R.
Poindexter
,
S.
Wang
,
Y. S.
Meng
,
T.
Wang
,
B.
Lai
,
M. V.
Holt
,
Z.
Cai
,
M. G.
Bawendi
,
L.
Huang
,
T.
Buonassisi
, and
D. P.
Fenning
,
Science
363
,
627
(
2019
).
31.
D.
Nečas
and
P.
Klapetek
,
Cent. Eur. J. Phys.
10
,
181
(
2012
).
32.
V.
Rose
,
N.
Shirato
,
M.
Bartlein
,
A.
Deriy
,
T.
Ajayi
,
D.
Rosenmann
,
S.-W.
Hla
,
M.
Fisher
, and
R.
Reininger
,
J. Synchrotron Radiat.
27
,
836
(
2020
).
33.
L.
She
,
M.
Liu
,
X.
Li
,
Z.
Cai
, and
D.
Zhong
,
Surf. Sci.
656
,
17
(
2017
).
34.
S.
Lounis
, arXiv:1404.0961 (
2014
).
35.
M.
Prietsch
,
A.
Samsavar
, and
R.
Ludeke
,
Phys. Rev. B
43
,
11850
(
1991
).
36.
J. A.
Stroscio
,
R. M.
Feenstra
, and
A. P.
Fein
,
Phys. Rev. Lett.
57
,
2579
(
1986
).
37.
J.
Haruyama
,
K.
Sodeyama
,
L.
Han
, and
Y.
Tateyama
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
2903
(
2014
).
38.
J.
Endres
,
D. A.
Egger
,
M.
Kulbak
,
R. A.
Kerner
,
L.
Zhao
,
S. H.
Silver
,
G.
Hodes
,
B. P.
Rand
,
D.
Cahen
,
L.
Kronik
, and
A.
Kahn
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2722
(
2016
).
39.
W.
Li
,
J.
Liu
,
F.-Q.
Bai
,
H.-X.
Zhang
, and
O. V.
Prezhdo
,
ACS Energy Lett.
2
,
1270
(
2017
).
40.
H.
Kawai
,
G.
Giorgi
,
A.
Marini
, and
K.
Yamashita
,
Nano Lett.
15
,
3103
(
2015
).
41.
H.-S.
Kim
and
N.-G.
Park
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
2927
(
2014
).
42.
S.-H.
Turren-Cruz
,
M.
Saliba
,
M. T.
Mayer
,
H.
Juárez-Santiesteban
,
X.
Mathew
,
L.
Nienhaus
,
W.
Tress
,
M. P.
Erodici
,
M.-J.
Sher
,
M. G.
Bawendi
,
M.
Grätzel
,
A.
Abate
,
A.
Hagfeldt
, and
J.-P.
Correa-Baena
,
Energy Environ. Sci.
11
,
78
(
2018
).
43.
J.
Shi
,
H.
Zhang
,
X.
Xu
,
D.
Li
,
Y.
Luo
, and
Q.
Meng
,
Small
12
,
5288
(
2016
).
44.
S. A. L.
Weber
,
I. M.
Hermes
,
S.-H.
Turren-Cruz
,
C.
Gort
,
V. W.
Bergmann
,
L.
Gilson
,
A.
Hagfeldt
,
M.
Graetzel
,
W.
Tress
, and
R.
Berger
,
Energy Environ. Sci.
11
,
2404
(
2018
).
45.
46.
R. A.
Belisle
,
W. H.
Nguyen
,
A. R.
Bowring
,
P.
Calado
,
X.
Li
,
S. J. C.
Irvine
,
M. D.
McGehee
,
P. R. F.
Barnes
, and
B. C.
O’Regan
,
Energy Environ. Sci.
10
,
192
(
2017
).
47.
Z.
Xiao
,
Y.
Yuan
,
Y.
Shao
,
Q.
Wang
,
Q.
Dong
,
C.
Bi
,
P.
Sharma
,
A.
Gruverman
, and
J.
Huang
,
Nat. Mater.
14
,
193
(
2015
).
48.
Y.
Yuan
,
T.
Li
,
Q.
Wang
,
J.
Xing
,
A.
Gruverman
, and
J.
Huang
,
Sci Adv.
3
,
e1602164
(
2017
).
49.
S.
Nah
,
B.
Spokoyny
,
X.
Jiang
,
C.
Stoumpos
,
C. M. M.
Soe
,
M. G.
Kanatzidis
, and
E.
Harel
,
Nano Lett.
18
,
827
(
2018
).
50.
C. M.
Sutter-Fella
,
D. W.
Miller
,
Q. P.
Ngo
,
E. T.
Roe
,
F. M.
Toma
,
I. D.
Sharp
,
M. C.
Lonergan
, and
A.
Javey
,
ACS Energy Lett.
2
,
709
(
2017
).
51.
X.
Jiang
,
J.
Hoffman
,
C. C.
Stoumpos
,
M. G.
Kanatzidis
, and
E.
Harel
,
ACS Energy Lett.
4
,
1741
(
2019
).
52.
J. M.
Azpiroz
,
E.
Mosconi
,
J.
Bisquert
, and
F.
De Angelis
,
Energy Environ. Sci.
8
,
2118
(
2015
).
53.
J.-W.
Lee
,
S.-G.
Kim
,
J.-M.
Yang
,
Y.
Yang
, and
N.-G.
Park
,
Appl. Phys. Lett. Mater.
7
,
041111
(
2019
).
54.
C.
Eames
,
J. M.
Frost
,
P. R. F.
Barnes
,
B. C.
O’Regan
,
A.
Walsh
, and
M. S.
Islam
,
Nat. Commun.
6
,
7497
(
2015
).
55.
Y.
Shao
,
Y.
Fang
,
T.
Li
,
Q.
Wang
,
Q.
Dong
,
Y.
Deng
,
Y.
Yuan
,
H.
Wei
,
M.
Wang
,
A.
Gruverman
,
J.
Shield
, and
J.
Huang
,
Energy Environ. Sci.
9
,
1752
(
2016
).
56.
Y.
Yuan
and
J.
Huang
,
Acc. Chem. Res.
49
,
286
(
2016
).
57.
J.-J.
Li
,
J.-Y.
Ma
,
Q.-Q.
Ge
,
J.-S.
Hu
,
D.
Wang
, and
L.-J.
Wan
,
Appl. Mater. Interfaces
7
,
28518
(
2015
).
58.
T. S.
Sherkar
,
C.
Momblona
,
L.
Gil-Escrig
,
J.
Ávila
,
M.
Sessolo
,
H. J.
Bolink
, and
L. J. A.
Koster
,
ACS Energy Lett.
2
,
1214
(
2017
).
59.
M. L.
Cummings
,
T. Y.
Chien
,
C.
Preissner
,
V.
Madhavan
,
D.
Diesing
,
M.
Bode
,
J. W.
Freeland
, and
V.
Rose
,
Ultramicroscopy
112
,
22
(
2012
).
60.
N.
Shirato
,
M.
Cummings
,
H.
Kersell
,
Y.
Li
,
B.
Stripe
,
D.
Rosenmann
,
S.-W.
Hla
, and
V.
Rose
,
Nano Lett.
14
,
6499
(
2014
).
61.
P.
Sutter
, in
Springer Handbook of Microscopy
, edited by
P. W.
Hawkes
and
J. C. H.
Spence
(
Springer International Publishing
,
Cham
,
2019
), p.
2
.
62.
L.
Nienhaus
,
J. J.
Goings
,
D.
Nguyen
,
S.
Wieghold
,
J. W.
Lyding
, and
M.
Gruebele
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
14743
(
2015
).
63.
S.
Wieghold
,
L.
Nienhaus
,
F. L.
Knoller
,
F. F.
Schweinberger
,
J. J.
Shepherd
,
J. W.
Lyding
,
U.
Heiz
,
M.
Gruebele
, and
F.
Esch
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
30570
(
2017
).
64.
L.
Nienhaus
,
G. E.
Scott
,
R. T.
Haasch
,
S.
Wieghold
,
J. W.
Lyding
, and
M.
Gruebele
,
J. Phys. Chem. C
118
,
13196
(
2014
).
You do not currently have access to this content.