Физики доказали и объяснили анизотропию перовскитов

К перовскитам относится большая группа материалов с псевдокубической структурой. Они имеют общую формулу ABX3, где А — крупный катион, В — катион поменьше, а Х — анион; ими могут быть атомы, близкие по свойствам к кальцию, титану и кислороду соответственно — именно эти элементы входят в состав классического природного перовскита.

Благодаря электрическим, магнитным и оптическим свойствам такие материалы применяются в солнечных батареях, нанолазерах и светодиодах. Теоретически из-за особенностей структуры они должны проявлять анизотропию, то есть характеристики в разных направлениях в кристалле должны различаться. В случае, например, показателя преломления, некоторые ученые обнаруживали отличия, а другие нет. Ученые из МФТИ с коллегами из МИСиС, ДВФУ и ИТМО смогли разрешить это противоречие и объяснили его природу в случае кристаллов перовскита CsPbBr3.

«Изначально была задача просто измерить оптические свойства перовскитов. С помощью эллипсометрии измерили показатель преломления, однако результаты не сходились с изотропной моделью. Потом мы поняли, что на самом деле кристалл анизотропный, и тогда эксперимент полностью совпал с новой моделью. Форма кристаллов определяет степень анизотропии. Если они в плоскости выросли квадратными — будут изотропны в плоскости, если прямоугольными — анизотропны. Это удобно: просто взглянул на форму перовскита — и понял, какие у него будут оптические свойства», — рассказывает первый автор работы, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев.

Затем исследователи решили изменить химический состав перовскита CsPbBr3. Для этого кристалл помещали в газовую атмосферу соляной кислоты HCl, где происходило постепенное замещение атомов брома на хлор. Так же плавно уменьшался и показатель преломления. А значит, регулируя время химической реакции, ученые могли регулировать оптические свойства материала.

Кроме того, они обнаружили аномально большое значение анизотропии у перовскита. На определенных длинах волн, при возбуждении экситонного резонанса, этот показатель был выше, чем у всех известных трехмерных неслоистых материалов. Экспериментальные результаты были подтверждены с помощью компьютерного моделирования. Дальше физики масштабировали открытие: оказалось, что кристаллы сохраняют оптические свойства в масштабах от нескольких нанометров до миллиметров. Чтобы показать практический потенциал перовскита, исследователи создали на его основе волновод, который собирает и переносит падающий свет.

Результаты авторов лягут в основу разработки подходов к управлению анизотропией кристаллов. Если научиться делать это быстро, например, нагревая материал, можно создать новые оптоэлектронные устройства, такие как оптические логические элементы, маршрутизаторы оптического сигнала и экраны.