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Methylammonium Tetrel Halide Perovskite Ion Pairs and Their Dimers: The Interplay between the Hydrogen-, Pnictogen- and Tetrel-Bonding Interactions

氢键 氮族元素 卤化物 结晶学 八面体 离子键合 共价键 离子 钙钛矿(结构) 相(物质) 化学 化学物理 材料科学 晶体结构 无机化学 分子 有机化学 物理 凝聚态物理 超导电性
作者
Pradeep R. Varadwaj,Arpita Varadwaj,Helder M. Marques,Koichi Yamashita
出处
期刊:International Journal of Molecular Sciences [MDPI AG]
卷期号:24 (13): 10554-10554 被引量:2
标识
DOI:10.3390/ijms241310554
摘要

The structural stability of the extensively studied organic–inorganic hybrid methylammonium tetrel halide perovskite semiconductors, MATtX3 (MA = CH3NH3+; Tt = Ge, Sn, Pb; X = Cl, Br, I), arises as a result of non-covalent interactions between an organic cation (CH3NH3+) and an inorganic anion (TtX3−). However, the basic understanding of the underlying chemical bonding interactions in these systems that link the ionic moieties together in complex configurations is still limited. In this study, ion pair models constituting the organic and inorganic ions were regarded as the repeating units of periodic crystal systems and density functional theory simulations were performed to elucidate the nature of the non-covalent interactions between them. It is demonstrated that not only the charge-assisted N–H···X and C–H···X hydrogen bonds but also the C–N···X pnictogen bonds interact to stabilize the ion pairs and to define their geometries in the gas phase. Similar interactions are also responsible for the formation of crystalline MATtX3 in the low-temperature phase, some of which have been delineated in previous studies. In contrast, the Tt···X tetrel bonding interactions, which are hidden as coordinate bonds in the crystals, play a vital role in holding the inorganic anionic moieties (TtX3−) together. We have demonstrated that each Tt in each [CH3NH3+•TtX3−] ion pair has the capacity to donate three tetrel (σ-hole) bonds to the halides of three nearest neighbor TtX3− units, thus causing the emergence of an infinite array of 3D TtX64− octahedra in the crystalline phase. The TtX44− octahedra are corner-shared to form cage-like inorganic frameworks that host the organic cation, leading to the formation of functional tetrel halide perovskite materials that have outstanding optoelectronic properties in the solid state. We harnessed the results using the quantum theory of atoms in molecules, natural bond orbital, molecular electrostatic surface potential and independent gradient models to validate these conclusions.

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