The CsPbI3 perovskite is a promising candidate for photovoltaic applications, for which several critical phase transitions govern both its efficiency and stability. Large-scale molecular dynamics simulations are valuable in understanding the microscopic mechanisms of these transitions, in which the accuracy of the simulation heavily depends on the empirical potential. This study parameterizes two efficient and stable empirical potentials for the CsPbI3 perovskite. In these two empirical potentials, the short-ranged repulsive interaction is described by the Lennard-Jones model or the Buckingham model, while the long-ranged Coulomb interaction is summed by the damped shifted force method. Our molecular dynamics simulations show that these two empirical potentials accurately capture the γβα and δα phase transitions for the CsPbI3 perovskite. Furthermore, they are up to two orders of magnitude more efficient than previous empirical models, owing to the high efficiency of the damped shifted force truncation treatment for the Coulomb interaction.

1.
H.-S.
Kim
,
C.-R.
Lee
,
J.-H.
Im
,
K.-B.
Lee
,
T.
Moehl
,
A.
Marchioro
,
S.-J.
Moon
,
R.
Humphry-Baker
,
J.-H.
Yum
,
J. E.
Moser
et al,
Sci. Rep.
2
,
591
(
2012
).
2.
J.
Burschka
,
N.
Pellet
,
S.-J.
Moon
,
R.
Humphry-Baker
,
P.
Gao
,
M. K.
Nazeeruddin
, and
M.
Grätzel
,
Nature
499
,
316
(
2013
).
3.
Y.
Rong
,
Y.
Hu
,
A.
Mei
,
H.
Tan
,
M. I.
Saidaminov
,
S. I.
Seok
,
M. D.
McGehee
,
E. H.
Sargent
, and
H.
Han
,
Science
361
,
eaat8235
(
2018
).
4.
E.
Aydin
,
T. G.
Allen
,
M.
De Bastiani
,
A.
Razzaq
,
L.
Xu
,
E.
Ugur
,
J.
Liu
, and
S.
De Wolf
,
Science
383
,
eadh3849
(
2024
).
5.
G. E.
Eperon
,
G. M.
Paternò
,
R. J.
Sutton
,
A.
Zampetti
,
A. A.
Haghighirad
,
F.
Cacialli
, and
H. J.
Snaith
,
J. Mater. Chem. A
3
,
19688
(
2015
).
6.
A.
Swarnkar
,
A. R.
Marshall
,
E. M.
Sanehira
,
B. D.
Chernomordik
,
D. T.
Moore
,
J. A.
Christians
,
T.
Chakrabarti
, and
J. M.
Luther
,
Science
354
,
92
(
2016
).
7.
B.
Li
,
Y.
Zhang
,
L.
Fu
,
T.
Yu
,
S.
Zhou
,
L.
Zhang
, and
L.
Yin
,
Nat. Commun.
9
,
1076
(
2018
).
8.
S. M.
Yoon
,
H.
Min
,
J. B.
Kim
,
G.
Kim
,
K. S.
Lee
, and
S. I.
Seok
,
Joule
5
,
183
(
2021
).
9.
Z.
Wang
,
Q.
Tian
,
H.
Zhang
,
H.
Xie
,
Y.
Du
,
L.
Liu
,
X.
Feng
,
A.
Najar
,
X.
Ren
, and
S.
Liu
,
Angew. Chem.
135
,
e202305815
(
2023
).
10.
J.
Zhao
,
Y.
Deng
,
H.
Wei
,
X.
Zheng
,
Z.
Yu
,
Y.
Shao
,
J. E.
Shield
, and
J.
Huang
,
Sci. Adv.
3
,
eaao5616
(
2017
).
11.
J. A.
Steele
,
H.
Jin
,
I.
Dovgaliuk
,
R. F.
Berger
,
T.
Braeckevelt
,
H.
Yuan
,
C.
Martin
,
E.
Solano
,
K.
Lejaeghere
,
S. M.
Rogge
et al,
Science
365
,
679
(
2019
).
12.
F.
Ke
,
C.
Wang
,
C.
Jia
,
N. R.
Wolf
,
J.
Yan
,
S.
Niu
,
T. P.
Devereaux
,
H. I.
Karunadasa
,
W. L.
Mao
, and
Y.
Lin
,
Nat. Commun.
12
,
461
(
2021
).
13.
G.-Y.
Chen
,
Z.-D.
Guo
,
X.-G.
Gong
, and
W.-J.
Yin
,
Chem
8
,
3120
(
2022
).
14.
Z.
Guo
,
J.
Fu
,
G.
Chen
,
F.
Liu
,
C.
Yu
,
R.
Lu
, and
W.-J.
Yin
,
Adv. Funct. Mater.
34
,
2308246
(
2023
.
15.
D.
Meggiolaro
,
E.
Mosconi
, and
F.
De Angelis
,
ACS Energy Lett.
4
,
779
(
2019
).
16.
C.
Eames
,
J. M.
Frost
,
P. R.
Barnes
,
B. C.
O’regan
,
A.
Walsh
, and
M. S.
Islam
,
Nat. Commun.
6
,
7497
(
2015
).
17.
H.
Yuan
,
E.
Debroye
,
K.
Janssen
,
H.
Naiki
,
C.
Steuwe
,
G.
Lu
,
M.
Moris
,
E.
Orgiu
,
H.
Uji-i
,
F.
De Schryver
et al,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
561
(
2016
).
18.
Y.
Shao
,
Y.
Fang
,
T.
Li
,
Q.
Wang
,
Q.
Dong
,
Y.
Deng
,
Y.
Yuan
,
H.
Wei
,
M.
Wang
,
A.
Gruverman
et al,
Energy Environ. Sci.
9
,
1752
(
2016
).
19.
M.
Ghasemi
,
B.
Guo
,
K.
Darabi
,
T.
Wang
,
K.
Wang
,
C.-W.
Huang
,
B. M.
Lefler
,
L.
Taussig
,
M.
Chauhan
,
G.
Baucom
et al,
Nat. Mater.
22
,
329
(
2023
).
20.
J.
Xue
,
R.
Wang
, and
Y.
Yang
,
Nat. Rev. Mater.
5
,
809
(
2020
).
21.
M.
Pols
,
T.
Hilpert
,
I. A.
Filot
,
A. C.
Van Duin
,
S.
Calero
, and
S.
Tao
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
,
40841
(
2022
).
22.
J.
Zhang
,
Z.
Wang
,
A.
Mishra
,
M.
Yu
,
M.
Shasti
,
W.
Tress
,
D. J.
Kubicki
,
C. E.
Avalos
,
H.
Lu
,
Y.
Liu
et al,
Joule
4
,
222
(
2020
).
23.
X.
Yang
,
D.
Luo
,
Y.
Xiang
,
L.
Zhao
,
M.
Anaya
,
Y.
Shen
,
J.
Wu
,
W.
Yang
,
Y.-H.
Chiang
,
Y.
Tu
et al,
Adv. Mater.
33
,
2006435
(
2021
).
24.
R.
Ichwani
,
R.
Koech
,
O. K.
Oyewole
,
A.
Huda
,
D. O.
Oyewole
,
J.
Cromwell
,
J. L.
Martin
,
R. L.
Grimm
, and
W. O.
Soboyejo
,
Extreme Mech. Lett.
50
,
101515
(
2022
).
25.
B.
Li
,
S.
Li
,
J.
Gong
,
X.
Wu
,
Z.
Li
,
D.
Gao
,
D.
Zhao
,
C.
Zhang
,
Y.
Wang
, and
Z.
Zhu
,
Chem
10
,
35
(
2024
).
26.
R.
Jinnouchi
,
J.
Lahnsteiner
,
F.
Karsai
,
G.
Kresse
, and
M.
Bokdam
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
225701
(
2019
).
27.
W.
Yang
,
J.
Li
,
X.
Chen
,
Y.
Feng
,
C.
Wu
,
I. D.
Gates
,
Z.
Gao
,
X.
Ding
,
J.
Yao
, and
H.
Li
,
ChemPhysChem
23
,
e202100841
(
2022
).
28.
T.
Braeckevelt
,
R.
Goeminne
,
S.
Vandenhaute
,
S.
Borgmans
,
T.
Verstraelen
,
J. A.
Steele
,
M. B.
Roeffaers
,
J.
Hofkens
,
S. M.
Rogge
, and
V.
Van Speybroeck
,
Chem. Mater.
34
,
8561
(
2022
).
29.
E.
Fransson
,
J.
Wiktor
, and
P.
Erhart
,
J. Phys. Chem. C
127
,
13773
(
2023
).
30.
W. J.
Baldwin
,
X.
Liang
,
J.
Klarbring
,
M.
Dubajic
,
D.
Dell’Angelo
,
C.
Sutton
,
C.
Caddeo
,
S. D.
Stranks
,
A.
Mattoni
,
A.
Walsh
, and
G.
Csányi
,
Small
20
,
2303565
(
2024
).
31.
X.
Hao
,
J.
Liu
,
M.
Deng
, and
Z.
Fan
,
J. Phys. Chem. C
127
,
20157
(
2023
).
32.
A. K.
Rappe
and
W. A.
Goddard
III
,
J. Phys. Chem.
95
,
3358
(
1991
).
34.
D.
Wolf
,
P.
Keblinski
,
S.
Phillpot
, and
J.
Eggebrecht
,
J. Chem. Phys.
110
,
8254
(
1999
).
35.
C. J.
Fennell
and
J. D.
Gezelter
,
J. Chem. Phys.
124
,
234104
(
2006
).
36.
S. R.
Balestra
,
J. M.
Vicent-Luna
,
S.
Calero
,
S.
Tao
, and
J. A.
Anta
,
J. Mater. Chem. A
8
,
11824
(
2020
).
37.
S. S.
Almishal
and
O.
Rashwan
,
RSC Adv.
10
,
44503
(
2020
).
38.
C. G.
Bischak
,
M.
Lai
,
Z.
Fan
,
D.
Lu
,
P.
David
,
D.
Dong
,
H.
Chen
,
A. S.
Etman
,
T.
Lei
,
J.
Sun
et al,
Matter
3
,
534
(
2020
).
39.
P. B.
Louden
and
J. D.
Gezelter
,
J. Phys. Chem. C
121
,
26764
(
2017
).
40.
K. S.
Smirnov
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
2033
(
2020
).
41.
H.
Bhattarai
,
K. E.
Newman
, and
J. D.
Gezelter
,
J. Chem. Phys.
153
,
204703
(
2020
).
42.
R. G.
Parr
and
Y.
Weitao
,
Density-Functional Theory of Atoms and Molecules
(
Oxford University Press
,
1995
).
43.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
44.
A.
Stukowski
,
Modell. Simul. Mater. Sci. Eng.
18
,
015012
(
2009
).
45.
W. C.
Swope
,
H. C.
Andersen
,
P. H.
Berens
, and
K. R.
Wilson
,
J. Chem. Phys.
76
,
637
(
1982
).
46.
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
).
47.
S.
Nosé
,
J. Chem. Phys.
81
,
511
(
1984
).
48.
49.
R.
Freitas
,
M.
Asta
, and
M.
De Koning
,
Comput. Mater. Sci.
112
,
333
(
2016
).
50.
X.
Luo
,
W.
Liu
,
Z.
Wang
,
T.
Lei
,
P.
Yang
, and
Y.
Yu
,
J. Chem. Phys.
158
,
134705
(
2023
).
51.
P. M.
Larsen
,
S.
Schmidt
, and
J.
Schiøtz
,
Modell. Simul. Mater. Sci. Eng.
24
,
055007
(
2016
).
52.
O.
Nielsen
and
R. M.
Martin
,
Phys. Rev. Lett.
50
,
697
(
1983
).
53.
O.
Nielsen
and
R. M.
Martin
,
Phys. Rev. B
32
,
3792
(
1985
).
54.
W.
Voigt
,
Lehrbuch der kristallphysik: (mit ausschluss der kristalloptik)
(
BG Teubner
,
1910
), Vol.
34
.
55.
A.
Reuß
, “
Berechnung der Fließgrenze von Mischkristallen auf Grund der Plastizitätsbedingung für Einkristalle
,”
J. Appl. Math. Mech./Z. Angew. Math. Mech.
9
,
49
(
1929
).
57.
C.-X.
Cui
and
J.-W.
Jiang
,
J. Phys. Chem. C
127
,
11760
(
2023
).
58.
M. A.
Fadla
,
B.
Bentria
,
T.
Dahame
, and
A.
Benghia
,
Physica B
585
,
412118
(
2020
).
59.
S.
Li
,
S.
Zhao
,
H.
Chu
,
Y.
Gao
,
P.
Lv
,
V.
Wang
,
G.
Tang
, and
J.
Hong
,
J. Phys. Chem. C
126
,
4715
(
2022
).
60.
Y.
Rakita
,
S. R.
Cohen
,
N. K.
Kedem
,
G.
Hodes
, and
D.
Cahen
,
MRS Commun.
5
,
623
(
2015
).
61.
R. W.
Hockney
and
J. W.
Eastwood
,
Computer Simulation Using Particles
(
CRC Press
,
2021
).
You do not currently have access to this content.