The effect of the SCN ion on the structural, electronic, optical, and mechanical properties of the layered (MA)2Pb(SCN)2I2 (MA=CH3NH3+) perovskite is investigated by using first-principles calculations. Our results suggest that the introduction of SCN ions at the apical positions gives rise to shorter Pb–S bond lengths, more distorted octahedra, and more hydrogen bonds, which have important effects on the electronic, optical, mechanical, and piezoelectric properties in (MA)2Pb(SCN)2I2. Furthermore, a strong relativistic Rashba splitting is induced due to the breaking of the inversion symmetry, which helps to suppress the carrier recombination and enhance the carrier lifetime. The analysis of mechanical properties reveals that the incorporation of SCN ions is beneficial to strengthen Young’s modulus of the perovskite materials and it enhances the piezoelectric properties. Our investigation suggests that doping SCN ions into the perovskite materials could be a promising strategy to improve the stability and mechanical properties of organic-inorganic hybrid halide perovskite compounds.

1.
J. P.
Correa-Baena
,
M.
Anaya
,
G.
Lozano
,
W.
Tress
,
K.
Domanski
,
M.
Saliba
,
T.
Matsui
,
T. J.
Jacobsson
,
M. E.
Calvo
,
A.
Abate
,
M.
Gratzel
,
H.
Miguez
, and
A.
Hagfeldt
,
Adv. Mater.
28
,
5031
5037
(
2016
).
2.
H.
Yoon
,
S. M.
Kang
,
J.-K.
Lee
, and
M.
Choi
,
Energy Environ. Sci.
9
,
2262
2266
(
2016
).
3.
T.
Jesper Jacobsson
,
J.-P.
Correa-Baena
,
M.
Pazoki
,
M.
Saliba
,
K.
Schenk
,
M.
Grätzel
, and
A.
Hagfeldt
,
Energy Environ. Sci.
9
,
1706
1724
(
2016
).
4.
N. J.
Jeon
,
J. H.
Noh
,
W. S.
Yang
,
Y. C.
Kim
,
S.
Ryu
,
J.
Seo
, and
S. I.
Seok
,
Nature
517
,
476
480
(
2015
).
5.
K.
Wang
,
C.
Liu
,
C.
Yi
,
L.
Chen
,
J.
Zhu
,
R. A.
Weiss
, and
X.
Gong
,
Adv. Funct. Mater.
25
,
6875
6884
(
2015
).
6.
N.
Ahn
,
D. Y.
Son
,
I. H.
Jang
,
S. M.
Kang
,
M.
Choi
, and
N. G.
Park
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
8696
8699
(
2015
).
7.
C.-H.
Chiang
and
C.-G.
Wu
,
Nat. Photonics
10
,
196
200
(
2016
).
8.
B.
Peng
,
G.
Yu
,
Y.
Zhao
,
Q.
Xu
,
G.
Xing
,
X.
Liu
,
D.
Fu
,
B.
Liu
,
J. R. S.
Tan
,
W.
Tang
,
H.
Lu
,
J.
Xie
,
L.
Deng
,
T. C.
Sum
, and
K. P.
Loh
,
ACS Nano
10
,
6383
6391
(
2016
).
9.
A.
Stroppa
,
C.
Quarti
,
F.
De Angelis
, and
S.
Picozzi
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
2223
2231
(
2015
).
10.
A.
Filippetti
,
P.
Delugas
,
M. I.
Saba
, and
A.
Mattoni
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4909
4915
(
2015
).
11.
P.
Delugas
,
C.
Caddeo
,
A.
Filippetti
, and
A.
Mattoni
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2356
2361
(
2016
).
12.
See https://www.nrel.gov/pv/assets/images/efficiency-chart.png for information about the Best Research-Cell Efficiencies from National Renewable Energy Laboratory (NREL).
13.
T. A.
Berhe
,
W.-N.
Su
,
C.-H.
Chen
,
C.-J.
Pan
,
J.-H.
Cheng
,
H.-M.
Chen
,
M.-C.
Tsai
,
L.-Y.
Chen
,
A. A.
Dubale
, and
B.-J.
Hwang
,
Energy Environ. Sci.
9
,
323
356
(
2016
).
14.
F.
Wang
,
J.
Ma
,
F.
Xie
,
L.
Li
,
J.
Chen
,
J.
Fan
, and
N.
Zhao
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
3417
3423
(
2016
).
15.
D.
Bryant
,
N.
Aristidou
,
S.
Pont
,
I.
Sanchez-Molina
,
T.
Chotchunangatchaval
,
S.
Wheeler
,
J. R.
Durrant
, and
S. A.
Haque
,
Energy Environ. Sci.
9
,
1655
1660
(
2016
).
16.
Y.
Dkhissi
,
H.
Weerasinghe
,
S.
Meyer
,
I.
Benesperi
,
U.
Bach
,
L.
Spiccia
,
R. A.
Caruso
, and
Y.-B.
Cheng
,
Nano Energy
22
,
211
222
(
2016
).
17.
H.
Back
,
G.
Kim
,
J.
Kim
,
J.
Kong
,
T. K.
Kim
,
H.
Kang
,
H.
Kim
,
J.
Lee
,
S.
Lee
, and
K.
Lee
,
Energy Environ. Sci.
9
,
1258
1263
(
2016
).
18.
D.
Bi
,
P.
Gao
,
R.
Scopelliti
,
E.
Oveisi
,
J.
Luo
,
M.
Gratzel
,
A.
Hagfeldt
, and
M. K.
Nazeeruddin
,
Adv. Mater.
28
,
2910
2915
(
2016
).
19.
J.
Xu
,
O.
Voznyy
,
R.
Comin
,
X.
Gong
,
G.
Walters
,
M.
Liu
,
P.
Kanjanaboos
,
X.
Lan
, and
E. H.
Sargent
,
Adv. Mater.
28
,
2807
2815
(
2016
).
20.
M.
Saliba
,
T.
Matsui
,
J.-Y.
Seo
,
K.
Domanski
,
J.-P.
Correa-Baena
,
M. K.
Nazeeruddin
,
S. M.
Zakeeruddin
,
W.
Tress
,
A.
Abate
,
A.
Hagfeldt
, and
M.
Grätzel
,
Energy Environ. Sci.
9
,
1989
1997
(
2016
).
21.
I.
Hwang
,
I.
Jeong
,
J.
Lee
,
M. J.
Ko
, and
K.
Yong
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
7
,
17330
17336
(
2015
).
22.
W.
Li
,
W.
Zhang
,
S.
Van Reenen
,
R. J.
Sutton
,
J.
Fan
,
A. A.
Haghighirad
,
M. B.
Johnston
,
L.
Wang
, and
H. J.
Snaith
,
Energy Environ. Sci.
9
,
490
498
(
2016
).
23.
J. W.
Jo
,
M.-S.
Seo
,
M.
Park
,
J.-Y.
Kim
,
J. S.
Park
,
I. K.
Han
,
H.
Ahn
,
J. W.
Jung
,
B.-H.
Sohn
,
M. J.
Ko
, and
H. J.
Son
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
4464
4471
(
2016
).
24.
H.
Tsai
,
W.
Nie
,
J. C.
Blancon
,
C. C.
Stoumpos
,
R.
Asadpour
,
B.
Harutyunyan
,
A. J.
Neukirch
,
R.
Verduzco
,
J. J.
Crochet
,
S.
Tretiak
,
L.
Pedesseau
,
J.
Even
,
M. A.
Alam
,
G.
Gupta
,
J.
Lou
,
P. M.
Ajayan
,
M. J.
Bedzyk
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Nature
536
,
312
316
(
2016
).
25.
Q.
Jiang
,
D.
Rebollar
,
J.
Gong
,
E. L.
Piacentino
,
C.
Zheng
, and
T.
Xu
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
7617
7620
(
2015
).
26.
Y.
Chen
,
B.
Li
,
W.
Huang
,
D.
Gao
, and
Z.
Liang
,
Chem. Commun.
51
,
11997
11999
(
2015
).
27.
Q.
Tai
,
P.
You
,
H.
Sang
,
Z.
Liu
,
C.
Hu
,
H. L.
Chan
, and
F.
Yan
,
Nat. Commun.
7
,
11105
(
2016
).
28.
W.
Ke
,
C.
Xiao
,
C.
Wang
,
B.
Saparov
,
H. S.
Duan
,
D.
Zhao
,
Z.
Xiao
,
P.
Schulz
,
S. P.
Harvey
,
W.
Liao
,
W.
Meng
,
Y.
Yu
,
A. J.
Cimaroli
,
C. S.
Jiang
,
K.
Zhu
,
M.
Al-Jassim
,
G.
Fang
,
D. B.
Mitzi
, and
Y.
Yan
,
Adv. Mater.
28
,
5214
5221
(
2016
).
29.
S.
Yang
,
W.
Liu
,
L.
Zuo
,
X.
Zhang
,
T.
Ye
,
J.
Chen
,
C.-Z.
Li
,
G.
Wu
, and
H.
Chen
,
J. Mater. Chem. A
4
,
9430
9436
(
2016
).
30.
M.
Daub
and
H.
Hillebrecht
,
Angew. Chem., Int. Ed.
54
,
11016
11017
(
2015
).
31.
A. M.
Ganose
,
C. N.
Savory
, and
D. O.
Scanlon
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
4594
4598
(
2015
).
32.
Z.
Xiao
,
W.
Meng
,
B.
Saparov
,
H. S.
Duan
,
C.
Wang
,
C.
Feng
,
W.
Liao
,
W.
Ke
,
D.
Zhao
,
J.
Wang
,
D. B.
Mitzi
, and
Y.
Yan
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
1213
1218
(
2016
).
33.
D.
Umeyama
,
Y.
Lin
, and
H. I.
Karunadasa
,
Chem. Mater.
28
,
3241
3244
(
2016
).
34.
A.
Halder
,
R.
Chulliyil
,
A. S.
Subbiah
,
T.
Khan
,
S.
Chattoraj
,
A.
Chowdhury
, and
S. K.
Sarkar
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
3483
3489
(
2015
).
35.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
50
(
1996
).
36.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
A1138
(
1965
).
37.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
17979
(
1994
).
38.
S.
Ahmad
,
P. K.
Kanaujia
,
W.
Niu
,
J. J.
Baumberg
, and
G.
Vijaya Prakash
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
,
10238
10247
(
2014
).
39.
M.
Dion
,
H.
Rydberg
,
E.
Schroder
,
D. C.
Langreth
, and
B. I.
Lundqvist
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
246401
(
2004
).
40.
F.
Ricci
and
G.
Profeta
,
Phys. Rev. B
87
,
184105
(
2013
).
41.
J.
Klimes
,
D. R.
Bowler
, and
A.
Michaelides
,
J. Phys.: Condens. Matter
22
,
022201
(
2010
).
42.
J.
Klimeš
,
D. R.
Bowler
, and
A.
Michaelides
,
Phys. Rev. B
83
,
195131
(
2011
).
43.
B.
Peng
,
H.
Zhang
,
H.
Shao
,
Y.
Xu
,
R.
Zhang
, and
H.
Zhu
,
J. Mater. Chem. C
4
,
3592
3598
(
2016
).
44.
S.
Maintz
,
V. L.
Deringer
,
A. L.
Tchougreeff
, and
R.
Dronskowski
,
J. Comput. Chem.
37
,
1030
1035
(
2016
).
45.
V. L.
Deringer
,
A. L.
Tchougreeff
, and
R.
Dronskowski
,
J. Phys. Chem. A
115
,
5461
5466
(
2011
).
46.
Y.
Wang
,
T.
Gould
,
J. F.
Dobson
,
H.
Zhang
,
H.
Yang
,
X.
Yao
, and
H.
Zhao
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
1424
1429
(
2014
).
47.
W.
Geng
,
L.
Zhang
,
Y.-N.
Zhang
,
W.-M.
Lau
, and
L.-M.
Liu
,
J. Phys. Chem. C
118
,
19565
19571
(
2014
).
48.
J. H.
Lee
,
N. C.
Bristowe
,
P. D.
Bristowe
, and
A. K.
Cheetham
,
Chem. Commun.
51
,
6434
6437
(
2015
).
49.
J.-H.
Lee
,
N. C.
Bristowe
,
J. H.
Lee
,
S.-H.
Lee
,
P. D.
Bristowe
,
A. K.
Cheetham
, and
H. M.
Jang
,
Chem. Mater.
28
,
4259
4266
(
2016
).
50.
P. P.
Sun
,
Q. S.
Li
,
L. N.
Yang
, and
Z. S.
Li
,
Nanoscale
8
,
1503
1512
(
2016
).
51.
J.
Even
,
L.
Pedesseau
,
J.-M.
Jancu
, and
C.
Katan
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
2999
3005
(
2013
).
52.
P.
Umari
,
E.
Mosconi
, and
F.
De Angelis
,
Sci. Rep.
4
,
4467
(
2014
).
53.
M. R.
Filip
,
G. E.
Eperon
,
H. J.
Snaith
, and
F.
Giustino
,
Nat. Commun.
5
,
5757
(
2014
).
54.
M. E.
Kamminga
,
H.-H.
Fang
,
M. R.
Filip
,
F.
Giustino
,
J.
Baas
,
G. R.
Blake
,
M. A.
Loi
, and
T. T. M.
Palstra
,
Chem. Mater.
28
,
4554
4562
(
2016
).
55.
W.
Gao
,
X.
Gao
,
T. A.
Abtew
,
Y.-Y.
Sun
,
S.
Zhang
, and
P.
Zhang
,
Phys. Rev. B
93
,
085202
(
2016
).
56.
A.
Stroppa
,
D.
Di Sante
,
P.
Barone
,
M.
Bokdam
,
G.
Kresse
,
C.
Franchini
,
M. H.
Whangbo
, and
S.
Picozzi
,
Nat. Commun.
5
,
5900
(
2014
).
57.
C. H.
Hendon
,
R. X.
Yang
,
L. A.
Burton
, and
A.
Walsh
,
J. Mater. Chem. A
3
,
9067
9070
(
2015
).
58.
A. M.
Ganose
,
C. N.
Savory
, and
D. O.
Scanlon
,
J. Mater. Chem. A
5
,
7845
7853
(
2017
).
59.
M. R.
Filip
,
S.
Hillman
,
A. A.
Haghighirad
,
H. J.
Snaith
, and
F.
Giustino
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
2579
2585
(
2016
).
60.
A.
Amat
,
E.
Mosconi
,
E.
Ronca
,
C.
Quarti
,
P.
Umari
,
M. K.
Nazeeruddin
,
M.
Grätzel
, and
F.
De Angelis
,
Nano Lett.
14
,
3608
3616
(
2014
).
61.
F.
Zheng
,
L. Z.
Tan
,
S.
Liu
, and
A. M.
Rappe
,
Nano Lett.
15
,
7794
7800
(
2015
).
62.
T.
Etienne
,
E.
Mosconi
, and
F.
De Angelis
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
1638
1645
(
2016
).
63.
M.
Kim
,
J.
Im
,
A. J.
Freeman
,
J.
Ihm
, and
H.
Jin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
6900
6904
(
2014
).
64.
K.
Ishizaka
,
M. S.
Bahramy
,
H.
Murakawa
,
M.
Sakano
,
T.
Shimojima
,
T.
Sonobe
,
K.
Koizumi
,
S.
Shin
,
H.
Miyahara
,
A.
Kimura
,
K.
Miyamoto
,
T.
Okuda
,
H.
Namatame
,
M.
Taniguchi
,
R.
Arita
,
N.
Nagaosa
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Murakami
,
R.
Kumai
,
Y.
Kaneko
,
Y.
Onose
, and
Y.
Tokura
,
Nat. Mater.
10
,
521
526
(
2011
).
65.
L.
Pedesseau
,
D.
Sapori
,
B.
Traore
,
R.
Robles
,
H. H.
Fang
,
M. A.
Loi
,
H.
Tsai
,
W.
Nie
,
J. C.
Blancon
,
A.
Neukirch
,
S.
Tretiak
,
A. D.
Mohite
,
C.
Katan
,
J.
Even
, and
M.
Kepenekian
,
ACS Nano
10
,
9776
9786
(
2016
).
66.
Z.
Xiao
,
W.
Meng
,
J.
Wang
,
D. B.
Mitzi
, and
Y.
Yan
,
Mater. Horiz.
4
,
206
216
(
2017
).
67.
G.
Giorgi
,
J.
Fujisawa
,
H.
Segawa
, and
K.
Yamashita
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
4213
4216
(
2013
).
68.
J. M.
Frost
,
K. T.
Butler
,
F.
Brivio
,
C. H.
Hendon
,
M.
van Schilfgaarde
, and
A.
Walsh
,
Nano Lett.
14
,
2584
2590
(
2014
).
69.
Y.
Zhou
,
F.
Huang
,
Y. B.
Cheng
, and
A.
Gray-Weale
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
17
,
22604
22615
(
2015
).
70.
W.
Ming
,
H.
Shi
, and
M.-H.
Du
,
J. Mater. Chem. A
4
,
13852
13858
(
2016
).
71.
M. H.
Du
,
J. Mater. Chem. A
2
,
9091
(
2014
).
72.
R. E.
Brandt
,
V.
Stevanović
,
D. S.
Ginley
, and
T.
Buonassisi
,
MRS Commun.
5
,
265
275
(
2015
).
73.
K. T.
Butler
,
Y.
Kumagai
,
F.
Oba
, and
A.
Walsh
,
J. Mater. Chem. C
4
,
1149
1158
(
2016
).
74.
W. J.
Yin
,
T.
Shi
, and
Y.
Yan
,
Adv. Mater.
26
,
4653
4658
(
2014
).
75.
W.-J.
Yin
,
T.
Shi
, and
Y.
Yan
,
J. Phys. Chem. C
119
,
5253
5264
(
2015
).
76.
J.
Liu
,
J.
Shi
,
D.
Li
,
F.
Zhang
,
X.
Li
,
Y.
Xiao
, and
S.
Wang
,
Synth. Met.
215
,
56
63
(
2016
).
77.
J.
Feng
,
APL Mater.
2
,
081801
(
2014
).
78.
S.
Sun
,
Y.
Fang
,
G.
Kieslich
,
T. J.
White
, and
A. K.
Cheetham
,
J. Mater. Chem. A
3
,
18450
18455
(
2015
).
79.
F.
Mouhat
and
F.-X.
Coudert
,
Phys. Rev. B
90
,
224104
(
2014
).
80.
W.
Li
,
A.
Thirumurugan
,
P. T.
Barton
,
Z.
Lin
,
S.
Henke
,
H. H.
Yeung
,
M. T.
Wharmby
,
E. G.
Bithell
,
C. J.
Howard
, and
A. K.
Cheetham
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
7801
7804
(
2014
).
81.
A. U.
Ortiz
,
A.
Boutin
,
A. H.
Fuchs
, and
F. X.
Coudert
,
J. Chem. Phys.
138
,
174703
(
2013
).
82.
P.
Shen
,
K.
Nie
,
X.
Sun
,
L.
Liu
, and
J. A.
McLeod
,
Phys. Status Solidi RRL
10
,
677
681
(
2016
).
83.
V. L.
Deringer
,
U.
Englert
, and
R.
Dronskowski
,
Chem. Commun.
50
,
11547
11549
(
2014
).
84.
A. M.
Ganose
,
K. T.
Butler
,
A.
Walsh
, and
D. O.
Scanlon
,
J. Mater. Chem. A
4
,
2060
2068
(
2016
).
85.
A.
Zakutayev
,
C. M.
Caskey
,
A. N.
Fioretti
,
D. S.
Ginley
,
J.
Vidal
,
V.
Stevanovic
,
E.
Tea
, and
S.
Lany
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
1117
1125
(
2014
).
86.
K.
Wang
,
Z.
Liang
,
X.
Wang
, and
X.
Cui
,
Adv. Electron. Mater.
1
,
1500089
(
2015
).
87.
M.
Coll
,
A.
Gomez
,
E.
Mas-Marza
,
O.
Almora
,
G.
Garcia-Belmonte
,
M.
Campoy-Quiles
, and
J.
Bisquert
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
1408
1413
(
2015
).
88.
S.
Liu
,
F.
Zheng
,
I.
Grinberg
, and
A. M.
Rappe
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
1460
1465
(
2016
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.