Перовскиты заставили светиться по команде

Перовскиты — материалы, которые могут превратить свет в электричество и наоборот. Они очень интересны для науки и технологий, потому что имеют много уникальных свойств. Например, они могут светиться разными цветами в зависимости от того, какие атомы в них содержатся. Или менять свою реакцию на свет в зависимости от того, какой формы их кристаллы.


Перовскиты названы в честь русского минералога Льва Перовского, который жил в 18-19 веках. Он изучал минералы и их кристаллическую структуру. Кристаллическая структура — это то, как атомы расположены в твердом теле. От этого зависят многие физические и химические свойства материала.

Один из минералов, который Перовский исследовал, был титанат кальция (CaTiO3). Это соединение кальция, титана и кислорода, которое образует кубические кристаллы. В честь Перовского этот минерал назвали перовскитом.

Но перовскитом называют не только этот конкретный минерал, а любой материал, который имеет такую же или похожую кристаллическую структуру. Таких материалов очень много, и они могут состоять из разных элементов. Например, вместо кальция может быть цезий, а вместо титана — свинец. Или вместо кислорода — хлор, бром или йод.

В последнее время ученые обратили большое внимание на перовскиты, потому что они обладают высокой эффективностью преобразования солнечного света в электричество. Это значит, что из них можно делать солнечные батареи, которые будут дешевле и лучше, чем традиционные кремниевые. Кроме того, перовскиты могут использоваться для создания светодиодов и лазеров — устройств, которые излучают свет разных цветов.

Но как перовскиты могут поглощать и излучать свет? Для этого нужно понять, как устроена их кристаллическая структура.

В перовските атомы расположены так, что образуют маленькие кубики. В центре каждого кубика находится атом одного элемента (например, кальция или цезия), а в углах — атомы другого элемента (например, титана или свинца). Атомы третьего элемента (например, кислорода или хлора) окружают атомы второго элемента так, что получается восьмигранник (октаэдр).

Когда на перовскит падает свет, то частицы света (фотоны) могут возбудить электроны в атомах второго элемента. Это значит, что электроны переходят на более высокий уровень энергии. Но они не могут долго там находиться, и вскоре возвращаются на прежний уровень. При этом они излучают фотон, то есть свет.

Цвет излучаемого света зависит от разницы между уровнями энергии электронов. Чем больше разница, тем короче длина волны излучаемого света, и наоборот. Длина волны определяет цвет света: чем она короче, тем свет более голубой, а чем длиннее, тем более красный.

Разница между уровнями энергии электронов зависит от того, какие элементы входят в состав перовскита. Например, если второй элемент — титан, то разница будет большая, и перовскит будет излучать синий или фиолетовый свет. А если второй элемент — свинец, то разница будет меньше, и перовскит будет излучать зеленый или красный свет.

Но не только состав перовскита влияет на его оптические свойства. Оказывается, что важно также то, какой формы кристаллы перовскита и как они выросли. Об этом рассказывает новое исследование ученых из России и Китая, которое было опубликовано в журнале Journal of Materials Chemistry и отмечено редакцией как горячая статья.

Ученые из Университета ИТМО, Городского университета Гонконга и Санкт-Петербургского государственного университета придумали способ, как сделать перовскиты еще более разнообразными и интересными. Они научились добавлять в них атомы, которые меняют их световые свойства.

Например, они добавили в перовскиты атомы иттербия — элемента из группы лантаноидов. Лантаноиды — металлы, которые имеют много электронов на разных уровнях энергии. Поэтому они могут излучать свет разных цветов в зависимости от того, какие электроны возбуждаются.

Атомы иттербия излучают свет в инфракрасном диапазоне спектра. Это свет, который мы не видим глазами, но можем чувствовать как тепло. Инфракрасный свет используется в разных технологиях, например, в телекоммуникациях, медицине, астрономии и военном деле.

Ученые смогли добавить атомы иттербия в перовскиты очень просто и быстро. Они не нуждались в высоких температурах или сложном оборудовании. Они просто смешивали нанокристаллы перовскита с раствором, содержащим ионы иттербия. Ионы — это атомы или молекулы, которые потеряли или приобрели один, или несколько электронов. Они имеют электрический заряд и могут перемещаться в растворе.

Ионы иттербия проникали в структуру перовскитов и занимали места на поверхности или внутри кристаллов. Чем больше раствора добавляли ученые, тем больше иттербия попадало в перовскиты, и тем сильнее они светились в инфракрасном диапазоне.


— Данила Татаринов, сотрудник лаборатории «Оптика квантовых наноструктур», Университета ИТМО.

Но ученые не остановились на этом. Они решили добавить в перовскиты еще один элемент — марганец. Марганец — металл, который также может излучать свет разных цветов. В зависимости от того, какие электроны возбуждаются в атомах марганца, он может светиться желтым, оранжевым, красным или фиолетовым светом.

Ученые обрабатывали нанокристаллы перовскита раствором, содержащим ионы марганца. Так они получали образцы, которые светились в красном диапазоне спектра. Это интересно для создания разных типов светодиодов.

В заключительном эксперименте ученые решили совместить два подхода и добавить в перовскиты сразу два элемента — иттербий и марганец. Так они получили образцы, которые светились сразу в трех диапазонах спектра: инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом.

Ученые могли контролировать цвет и интенсивность свечения перовскитов, меняя соотношение добавляемых растворов с иттербием и марганцем. Так они настраивали оптические свойства материала.


— Данила Татаринов, сотрудник лаборатории «Оптика квантовых наноструктур», Университета ИТМО.

Таким образом, ученые разработали простой и эффективный способ создания перовскитов с разными оптическими свойствами. Это существенно упростит использование этих материалов в различных областях оптоэлектроники.