Положен конец спору об оптических свойствах материала для солнечных батарей
Ученые из МФТИ с коллегами из МИСиС, ДВФУ и ИТМО впервые объяснили анизотропию перовскитов — самого перспективного материала для солнечных батарей. Оказалось, что она определяется формой кристалла. Физики научились регулировать значение анизотропии, меняя химический состав галогенидных перовскитов. Полученные результаты можно применить для построения нанолазеров, поляризаторов, волноводов и других оптических приборов.
Работа опубликована в Nano Letters. Перовскиты представляют широкую группу материалов, имеющих химическую формулу ABX3 и сложную кристаллическую структуру. Перовскиты, в которых положение атома X занимает галоген: хлор, йод или бром, называют галогенидными. Благодаря электрическим, магнитным и оптическим свойствам они применяются в солнечных батареях, нанолазерах и светодиодах. Теоретически из-за особенностей структуры эти материалы должны проявлять анизотропию, то есть оптические свойства, например показатель преломления, должны отличаться вдоль разных направлений кристалла. Однако ученые в многочисленных исследованиях использовали приближение, при котором свойства не зависят от направления, и не наблюдали проявления анизотропии. Только в недавних работах появились наблюдения анизотропности кристаллов.
Чтобы разрешить это противоречие, физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами исследовали анизотропию бромида свинца цезия CsPbBr3. Оказалось, что оптические свойства кристалла зависят от его происхождения: в зависимости от условий выращивания кристалл может проявлять или не проявлять анизотропию в плоскости. Это объяснило противоречивость предыдущих исследований, в которых анизотропия то появлялась, то пропадала.
Первый автор работы, научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев комментирует: «Мы вообще не ожидали, что будет такой результат. 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».
Согласно теории, галогенидные перовскиты имеют орторомбическую кристаллическую структуру. Это значит, что большой кристалл можно разделить на одинаковые прямоугольные параллелепипеды — элементарные ячейки, содержащие минимальное число атомов. Если размеры сторон параллелепипеда отличаются, то будут отличаться и оптические свойства кристалла вдоль разных направлений. Чтобы это проверить, ученые вырастили кристаллы с квадратным и прямоугольным основанием. Как и предполагалось, анизотропия в плоскости наблюдалась только во втором случае. Таким образом, наличие анизотропии зависело от структуры конкретного кристалла перовскита.
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 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. Они показали, 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.
«Перовскиты на сегодняшний день — наиболее перспективный материал для солнечной энергетики. Мы показали, что они также обладают и замечательными оптическими свойствами, что открывает новые перспективы использования перовскитов в оптоэлектронике, в частности для создания оптических логических элементов, маршрутизаторов оптического сигнала, экранов», — отметил Иван Иорш, главный научный сотрудник физического факультета ИТМО.
Совокупность оптических свойств перовскита бромида свинца цезия: настраиваемая анизотропия на масштабах до миллиметров и ее аномально высокое значение среди трехмерных материалов — открывают широкие возможности для применения материала в нанофотонике и оптоэлектронике.
«Ключевой результат работы: мы первые количественно объяснили, что перовскиты анизотропны и это надо учитывать. Показали, что их анизотропность — самая большая среди трехмерных материалов. Мы научились контролировать ее химически и ищем новые способы управления, например, нагревом, электрическим полем или лазерным облучением. Тот, кто умеет управлять анизотропией, может управлять светом как угодно. Наша задача — ускорить переключение для бо́льших приложений, например в гаджетах, где нужно практически мгновенное изменение оптических свойств», — поделился Георгий Ермолаев.
«Мы уверены, что перовскиты станут основой посткремниевой электроники. В нашей лаборатории реализован процесс роста монокристаллов CsPbBr3 и разработка устройств на их основе. Мы работаем над новыми разновидностями перовскитных кристаллов для оптоэлектронного применения и благодарны коллегами из МФТИ и ИТМО за сотрудничество в сложном и интересном исследовательском проекте», — добавляет Артур Иштеев, ведущий инженер лаборатории перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС. Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK По самой распространенной версии, в прошлом климат Венеры был похож на земной, а к нынешнему состоянию пришел из-за парникового эффекта. Недавно ученые попытались смоделировать этот процесс и обнаружили, что перегретая венерианская кора даже вместе с вулканами просто не могла испустить в атмосферу такое количество углекислого газа, какое мы наблюдаем в ней сейчас.
Каждый год на месторождениях происходят десятки плановых остановок скважин для ремонта или профилактики. Чтобы во время простоев предотвратить выброс нефти и газа на поверхность, скважины глушат и закачивают в них специальные жидкости, в качестве которых нередко используют обратные эмульсии. Раньше считалось, что они безвредны и легко удаляются, поэтому, когда после глушения проницаемость уменьшалась, это списывали на другие факторы — например, отложение парафинов. Комплексно не изучалось, как именно эти составы влияют на снижение добычи. Ученые Пермского Политеха изучили обратные эмульсии и впервые объяснили, как они влияют на проницаемость горных пород. Проведенное исследование позволяет заранее определить, насколько опасен тот или иной состав и какой способ очистки сработает лучше. Это поможет нефтяным компаниям минимизировать потери добычи и избежать дорогостоящих восстановительных работ.
Обычно тела меньше тысячи километров не могут удержать вокруг себя полноценную газовую оболочку: слишком невелика сила тяжести. Несмотря на это, малая планета (612533) 2002 XV93 — диаметром всего полтысячи километров — во время звездного затмения показала, что у нее атмосфера есть. Как это вышло, пока неясно, хотя у астрономов-первооткрывателей и есть пара гипотез.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно