Ferroelectric, Switchable Dielectric and Nonlinear Optical Properties in Inorganic–Organic Lead-Free 1D Hybrids Based on Bi(III) and Azetidine: (C3NH8)2[BiCl5], (C3NH8)2[BiBr5]

铁电性 电介质 非线性光学 材料科学 二次谐波产生 非线性光学 光电子学 非线性系统 结晶学 化学 光学 激光器 物理 量子力学
作者
Magdalena Rok,Bartosz Zarychta,Jan K. Zaręba,Aleksandra Krupińska,Błażej Dziuk,Piotr Durlak,Rafał Janicki,R. Jakubas,G. Bator,W. Medycki,Michaela Zamponi,Anna Piecha‐Bisiorek
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:15 (47): 11709-11722 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.4c02695
摘要

This study investigates lead-free organic-inorganic hybrids (C3NH8)2[BiCl5] (ABC) and (C3NH8)2[BiBr5] (ABB), focusing on their structural, dielectric, ferroelectric, and optical properties. Both compounds exhibit paraelectric (I) to ferroelectric (II) phase transitions (PTs) at 230/233 K and 228/229 K, respectively, transitioning from orthorhombic (Pnma) to monoclinic (P21) phases, with distorted [BiX6]3- octahedra forming 1D chains. Quasielastic neutron scattering and solid-state 1H NMR studies reveal the localized motion of azetidinium cations. Dielectric measurements of ABC and ABB show step-like permittivity changes by 11-12 units post-transition III, demonstrating reversible switching behavior. Absorption studies reveal band gaps of 3.24 eV for ABC and 2.76 eV for ABB, classifying them as insulators. Luminescence spectra at 77K display 578 nm (ABC) and 708 nm (ABB) emissions, attributed to 3P1,01S0 transitions. Both compounds demonstrate stable second harmonic generation (SHG) switching of the on-off type. The switching performance is evaluated over multiple thermal cycles using the treq metric, which decreases with increasing temperature change rate and indicates that ABB's SHG switching is approximately 30% faster than that of ABC.
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