Международная команда ученых из МФТИ, Ростова-на-Дону, Китая, Германии и Франции указали характер движения частиц, проводящих ток в перовскитах, материалах солнечных батарей будущего по версии журнала Science. Результаты, опубликованные в журнале Physics Review B, позволят ученым искать нужный состав перовскита не «в слепую», а имея представление о его фундаментальных свойствах.

Структура перовскита. Зеленые шарики — ато...

Структура перовскита. Зеленые шарики — атомы празеодима, красные — кислорода, а голубые — титана. Источник — пресс-служба МФТИ.

Перовскиты — класс веществ имеющих почти идеальную структуру и это «почти» — как раз и есть самое полезное в них. Именно из-за своей неидеальности перовскиты — основа большинства современных высокотемпературных сверхпроводников. Они также позволяют делать гибкие солнечные батареи без использования редкоземельных металлов, что позволит снизить их стоимость и производить в больших объемах.

Один из авторов статьи так же отмечает магнатические свойства перовскитов: «Эти соединения с чрезвычайно интересными физическими свойствами, самое известное из которых — колоссальное магнетосопротивление. Несмотря на то, что манганиты активно исследуются уже не одно десятилетие, многие из их свойств остаются загадкой. В нашей статье мы попытались найти ответ на одну из таких загадок, а именно, каков механизм проводимости одного из типичных соединений — Pr (1-x)Ca (x)MnO (3).» Но все эти свойства были открыты экспериментально, без досконального понимания процессов, объясняющих эти феномены.

Это напоминает ситуацию с полупроводниками полтора века назад. Тогда наука об электричестве только появилась и становилось понятно, что помимо изоляторов, таких как резина и стекло, и проводников, таких как медь и золото, есть странные вещества — полупроводники, которые не попадают ни в одну из этих категорий. Так около века принцип работы полупроводников оставался неизвестным. Но в 30-х годах XX века было найдено объяснение их механизма проводимости, и результат не заставил себя ждать, уже в 1947 году был создан первый транзистор — деталь, влияние которой на мир трудно переоценить: вся электроника работает на транзисторах.

К сожалению сейчас нельзя взять микроскоп или что-то похожее и посмотреть как двигаются заряды в материале, поэтому сотрудникам лаборатории терагерцовой спектроскопии пришлось измерять косвенные показатели и отсекать альтернативные гипотезы одну за другой. Понять, какие частицы являются проводящими, можно прикладывая к образцам напряжение разной частоты и замерять зависимость индуцируемого тока от частоты. Чтобы не пропустить никаких деталей, ученые мерили частотные и температурные зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости в очень широком диапазоне частот — 5-3000 см-1. Были сняты такие спектры при разных температурах — 10-300 К (-263 — 27 °C), для различения схожих, но обусловленные разными механизмами проводимости, зависимостей. Но даже этого оказалось недостаточно, чтобы понять, какие заряды ответсвенны за протекание электрического тока в данных соединениях. Поэтому было произведено сравнение свойств перовскитов с разным соотношением кальция (Ca) и празеодима (Pr).

Так команда ученых во главе с Борисом Горшуновым, руководителем лаборатории терагерцевой спектроскопии (статья также подписана аспирантом Ленаром Кадыровым и сотрудниками лаборатории Еленой Жуковой и Владимиром Анзиным) обнаружила, что в перовскитах, имеющих формулу Pr1-xCaxMnO3, существует проводимость, связанная с так называемыми поляронами. Полярон — это электрон, который при своем распространении смещает ионы кристалической решетки со своих мест собственным полем — «гнет» кристалл, действующий в ответ на электрон. Перовскиты со своей почти идеальной структурой замечательно подходят для возникновения таких пар «кристалл-электрон». Более того, оказывается, что они в большом количестве двигаются как единое целое — когерентно, то есть механизм проводимости является, что называется, зонным. Другими словами, проводимость осуществляется не путем перескока поляронов по локализованным состояниям, а практически как свободными частицами. В истории физики есть много примеров, когда когерентность давала удивительные и полезные свойства: лазеры, сверхпроводники, сверхточные измерители расстояний, квантовые вычисления…

Теперь, с экспериментально подтвержденным знанием о виде и характеристиках проводящих частиц, исследования перовскитов должны получить мощный рывок и приблизить их масштабное коммерческое применение. Например, уже существует опытный образец высоко эффективной и дешевой установки по разделению воды на кислород и водород, основанной на перовскитах. А также они обладают отличными показателями для светодиодов, хотя пока они работают лишь при температурах жидкого азота.