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.
