Two thin-film 2D organic-inorganic hybrid perovskites, i.e., 2-phenylethylammonium lead iodide (PEPI) and 4-phenyl-1-butylammonium lead iodide (PBPI) were synthesized and investigated by steady-state absorption, temperature-dependent photoluminescence, and temperature-dependent ultrafast transient absorption spectroscopy. PBPI has a longer organic chain (via introducing extra ethyl groups) than PEPI, thus its inorganic skeleton can be distorted, bringing on structural disorder. The comparative analyses of spectral profiles and temporal dynamics revealed that the greater structural disorder in PBPI results in more defect states serving as trap states to promote exciton dynamics. In addition, the fine-structuring of excitonic resonances was unveiled by temperature-dependent ultrafast spectroscopy, suggesting its correlation with inorganic skeleton rather than organic chain. Moreover, the photoexcited coherent phonons were observed in both PEPI and PBPI, pointing to a subtle impact of structural disorder on the low-frequency Raman-active vibrations of inorganic skeleton. This work provides valuable insights into the optical properties, excitonic behaviors and dynamics, as well as coherent phonon effects in 2D hybrid perovskites.

[1]
H.
Tsai
,
W.
Nie
,
J.
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
,
M. G.
Kanatzidis
, and
A. D.
Mohite
,
Nature
536
,
312
(
2016
).
[2]
Z.
Tan
,
R. S.
Moghaddam
,
M. L.
Lai
,
P.
Docampo
,
R.
Higler
,
F.
Deschler
,
M.
Price
,
A.
Sadhanala
,
L. M.
Pazos
,
D.
Credgington
,
F.
Hanusch
,
T.
Bein
,
H. J.
Snaith
, and
R. H.
Friend
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
687
(
2014
).
[3]
H.
Cho
,
S.
Jeong
,
M.
Park
,
Y.
Kim
,
C.
Wolf
,
C.
Lee
,
J. H.
Heo
,
A.
Sadhanala
,
N.
Myoung
,
S.
Yoo
,
S. H.
Im
,
R. H.
Friend
, and
T.
Lee
,
Science
350
,
1222
(
2015
).
[4]
Y.
Jia
,
R. A.
Kerner
,
A. J.
Grede
,
B. P.
Rand
, and
N. C.
Giebink
,
Nat. Photonics
11
,
784
(
2017
).
[5]
X.
Hong
,
T.
Ishihara
, and
A. V.
Nurmikko
,
Phys. Rev. B
45
,
6961
(
1992
).
[6]
S.
Zhang
,
X.
Chen
,
A.
Ren
,
H.
Li
, and
J. L.
Bredas
,
ACS Energy Lett.
4
,
17
(
2019
).
[7]
T.
Ishihara
,
Optical Properties of Low-Dimensional Materials
,
Singapore
:
World Science
,
288
(
1995
).
[8]
M.
Yuan
,
L.
Quan
,
R.
Comin
,
G.
Walters
,
R.
Sabatini
,
O.
Voznyy
,
S.
Hoogland
,
Y.
Zhao
,
E. M.
Beauregard
,
P.
Kanjanaboos
,
Z.
Lu
,
D. H.
Kim
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
872
(
2016
).
[9]
L.
Dou
,
A. B.
Wong
,
Y.
Yu
,
M.
Lai
,
N.
Kornienko
,
S. W.
Eaton
,
A.
Fu
,
C. G.
Bischak
,
J.
Ma
,
T.
Ding
,
N. S.
Ginsberg
,
L.
Wang
,
A. P.
Alivisatos
, and
P.
Yang
,
Science
349
,
1518
(
2015
).
[10]
L.
Quan
,
M.
Yuan
,
R.
Comin
,
O.
Voznyy
,
E. M.
Beauregard
,
S.
Hoogland
,
A.
Buin
,
A. R.
Kirmani
,
K.
Zhao
,
A.
Amassian
,
D.
Kim
, and
E. H.
Sargent
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
2649
(
2016
).
[11]
I. C.
Smith
,
E. T.
Hoke
,
D.
Solis-Ibarra
,
M. D.
McGehee
, and
H. I.
Karunadasa
,
Angew. Chem. Int. Ed.
53
,
11232
(
2014
).
[12]
D. B.
Mitzi
,
J. Chem. Soc. Dalton Trans.
1
(
2001
).
[13]
K.
Du
,
Q.
Tu
,
X.
Zhang
,
Q.
Han
,
J.
Liu
,
S.
Zauscher
, and
D. B.
Mitzi
,
Inorg. Chem.
56
,
9291
(
2017
).
[14]
C. C.
Stoumpos
,
C. M. M.
Soe
,
H.
Tsai
,
W.
Nie
,
J. C.
Blancon
,
D. H.
Cao
,
F.
Liu
,
B.
Traoŕe
,
C.
Katan
,
J.
Even
,
A. D.
Mohite
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Chem
2
,
427
(
2017
).
[15]
J.
Xu
,
O.
Voznyy
,
M.
Liu
,
A. R.
Kirmani
,
G.
Walters
,
R.
Munir
,
M.
Abdelsamie
,
A. H.
Proppe
,
A.
Sarkar
,
F. P. G.
de Arquer
,
M.
Wei
,
B.
Sun
,
M.
Liu
,
O.
Ouellette
,
R.
Quintero-Bermudez
,
J.
Li
,
J.
Fan
,
L.
Quan
,
P.
Todorovic
,
H.
Tan
,
S.
Hoogland
,
S. O.
Kelley
,
M.
Stefik
,
A.
Amassian
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
456
(
2018
).
[16]
G. E.
Eperon
,
S. D.
Stranks
,
C.
Menelaou
,
M. B.
Johnston
,
L. M.
Herz
, and
H. J.
Snaith
,
Energy Environ. Sci.
7
,
982
(
2014
).
[17]
S.
Singh
,
C.
Li
,
F.
Panzer
,
K. L.
Narasimhan
,
A.
Graeser
,
T. P.
Gujar
,
A.
Kohler
,
M.
Thelakkat
,
S.
Huettner
, and
D.
Kabra
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
3014
(
2016
).
[18]
Z.
Guo
,
X.
Wu
,
T.
Zhu
,
X.
Zhu
, and
L.
Huang
,
ACS Nano
10
,
9992
(
2016
).
[19]
R. L.
Milot
,
R. J.
Sutton
,
G. E.
Eperon
,
A. A.
Haghighirad
,
J. M.
Hardigree
,
L.
Miranda
,
H. J.
Snaith
,
M. B.
Johnston
, and
L. M.
Herz
,
Nano Lett.
16
,
7001
(
2016
).
[20]
T. J.
Savenije
,
C. S.
Ponseca
Jr.
,
L.
Kunneman
,
M.
Abdellah
,
K.
Zheng
,
Y.
Tian
,
Q.
Zhu
,
S. E.
Canton
,
I. G.
Scheblykin
,
T.
Pullerits
,
A.
Yartsev
, and
V.
Sundström
,
J. Phys. Chem. Lett.
5
,
2189
(
2014
).
[21]
N.
Mondal
,
A.
De
,
S.
Das
,
S.
Paul
, and
A.
Samanta
,
Nanoscale
11
,
9796
(
2019
).
[22]
H.
Zhu
,
K.
Miyata
,
Y.
Fu
,
J.
Wang
,
P. P.
Joshi
,
D.
Niesner
,
K. W.
Williams
,
S.
Jin
, and
X.
Zhu
,
Science
353
,
1409
(
2016
).
[23]
M. E.
Kamminga
,
H.
Fang
,
M. R.
Filip
,
F.
Giustino
,
J.
Baas
,
G. R.
Blake
,
M. A.
Loi
, and
T. T. M.
Palstra
,
Chem. Mater.
28
,
4554
(
2016
).
[24]
H.
Fang
,
J.
Yang
,
S.
Adjokatse
,
E.
Tekelenburg
,
M. E.
Kamminga
,
H.
Duim
,
J.
Ye
,
G. R.
Blake
,
J.
Even
, and
M. A.
Loi
,
Adv. Funct. Mater.
30
,
1907979
(
2020
).
[25]
E. R.
Dohner
,
A.
Jaffe
,
L. R.
Bradshaw
, and
H. I.
Karunadasa
,
J. Am. Chem. Soc.
136
,
13154
(
2014
).
[26]
K.
Gauthron
,
J. S.
Lauret
,
L.
Doyennette
,
G.
Lanty
,
A. A.
Choueiry
,
S.
Zhang
,
A.
Brehier
,
L.
Largeau
,
O.
Mauguin
,
J.
Bloch
, and
E.
Deleporte
,
Opt. Express
18
,
5912
(
2010
).
[27]
A. D.
Wright
,
C.
Verdi
,
R. L.
Milot
,
G. E.
Eperon
,
M. A.
Pérez-Osorio
,
H. J.
Snaith
,
F.
Giustino
,
M. B.
Johnston
, and
L. M.
Herz
,
Nat. Commun.
7
,
11755
(
2016
).
[28]
Y.
Fu
,
M. P.
Hautzinger
,
Z.
Luo
,
F.
Wang
,
D.
Pan
,
M. M.
Aristov
,
I. A.
Guzei
,
A.
Pan
,
X.
Zhu
, and
S.
Jin
,
ACS Central Sci.
5
,
1377
(
2019
).
[29]
Q.
Zhang
and
Y.
Luo
,
High Power Laser Sci. Eng.
4
,
e22
(
2016
).
[30]
H.
Wang
,
D.
Yong
,
S.
Chen
,
S.
Jiang
,
X.
Zhang
,
W.
Shao
,
Q.
Zhang
,
W.
Yan
,
B.
Pan
, and
Y.
Xie
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
1760
(
2018
).
[31]
K.
Wei
,
L.
Zhang
,
S.
Jiang
, and
Q.
Zhang
,
Chin. J. Chem. Phys.
32
,
643
(
2019
).
[32]
N.
Mondal
and
A.
Samanta
,
Nanoscale
9
,
1878
(
2017
).
[33]
J.
Yao
,
J.
Ge
,
B.
Han
,
K.
Wang
,
H.
Yao
,
H.
Yu
,
J.
Li
,
B.
Zhu
,
J.
Song
,
C.
Chen
,
Q.
Zhang
,
H.
Zeng
,
Y.
Luo
, and
S.
Yu
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
3626
(
2018
).
[34]
D.
Giovanni
,
W. K.
Chong
,
Y. Y. F.
Liu
,
H. A.
Dewi
,
T.
Yin
,
Y.
Lekina
,
Z. X.
Shen
,
N.
Mathews
,
C. K.
Gan
, and
T. C.
Sum
,
Adv. Sci.
5
,
1800664
(
2018
).
[35]
L.
Zhang
,
Q.
Zhang
, and
Y.
Luo
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
5680
(
2017
).
[36]
X.
Ma
,
L.
Wang
,
Q.
Zhang
, and
H.
Jiang
,
Angew. Chem. Int. Ed.
58
,
12175
(
2019
).
[37]
F.
Thouin
,
S.
Neutzner
,
D.
Cortecchia
,
V. A.
Dragomir
,
C.
Soci
,
T.
Salim
,
Y. M.
Lam
,
R.
Leonelli
,
A.
Petrozza
,
A. R. S.
Kandada
, and
C.
Silva
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
034001
(
2018
).
[39]
D. B.
Straus
,
S. H.
Parra
,
N.
Iotov
,
J.
Gebhardt
,
A. M.
Rappe
,
J. E.
Subotnik
,
J. M.
Kikkawa
, and
C. R.
Kagan
,
J. Am. Chem. Soc.
138
,
13798
(
2016
).
[40]
Y.
Zhai
,
S.
Baniya
,
C.
Zhang
,
J.
Li
,
P.
Haney
,
C.
Sheng
,
E.
Ehrenfreund
, and
Z. V.
Vardeny
,
Sci. Adv.
3
,
e1700704
(
2017
).
[41]
S.
Neutzner
,
F.
Thouin
,
D.
Cortecchia
,
A.
Petrozza
,
C.
Silva
, and
A. R. S.
Kandada
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
064605
(
2018
).
[42]
F.
Thouin
,
D. A.
Valverde-Chávez
,
C.
Quarti
,
D.
Cortecchia
,
I.
Bargigia
,
D.
Beljonne
,
A.
Petrozza
,
C.
Silva
, and
A. R. S.
Kandada
,
Nat. Mater.
18
,
349
(
2019
).
[43]
A. R. S.
Kandada
and
C.
Silva
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
3173
(
2020
).
[44]
G.
Batignani
,
G.
Fumero
,
A. R. S.
Kandada
,
G.
Cerullo
,
M.
Gandini
,
C.
Ferrante
,
A.
Petrozza
, and
T.
Scopigno
,
Nat. Commun.
9
,
1971
(
2018
).
This content is only available via PDF.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.