Ключевой фактор, влияющий на то, как эти материалы создают и переносят электричество, буквально зависит от того, как их атомная решетка изгибается и поворачивается, как петля. Результаты помогут материаловедам в их стремлении адаптировать химические рецепты этих материалов для широкого спектра применений экологически безопасным способом.
Результаты появятся в Интернете 15 марта в журнале Nature Materials.
«Существует широкий интерес к галогенидным перовскитам для энергетических применений, таких как фотовольтаика, термоэлектрика, оптоэлектронное обнаружение и эмиссия излучения – вся эта область невероятно активна», – сказал Оливье Делер, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Duke. «Хотя мы понимаем, что мягкость этих материалов важна для их электронных свойств, никто не знал, как обнаруженные нами движения атомов лежат в основе этих свойств."
Перовскиты – это класс материалов, которые при правильном сочетании элементов превращаются в кристаллическую структуру, что делает их особенно подходящими для применения в энергетике. Их способность эффективно поглощать свет и передавать свою энергию делает их общей мишенью для исследователей, разрабатывающих новые типы солнечных элементов, например. Они также мягкие, вроде того, как твердое золото можно легко помять, что дает им способность переносить дефекты и избегать растрескивания, когда они превращаются в тонкую пленку.
Однако один размер не подходит всем, так как существует широкий спектр потенциальных рецептов, которые могут привести к образованию перовскита.
Многие из простейших и наиболее изученных рецептов включают галогены, такие как хлор, фтор или бром, что дает им название галогенидные перовскиты. В кристаллической структуре перовскитов эти галогениды представляют собой соединения, которые связывают смежные октаэдрические кристаллические мотивы вместе.
Хотя исследователи знали, что эти точки поворота необходимы для создания свойств перовскита, никто не смог увидеть, как они позволяют структурам вокруг себя динамически скручиваться, поворачиваться и изгибаться, не ломаясь, как форма для желе, которую энергично встряхивают.
"Эти структурные движения, как известно, трудно определить экспериментально. Выбранный метод – рассеяние нейтронов, которое требует огромных усилий по анализу инструментов и данных, и очень немногие группы владеют техникой, которой владеют Оливье и его коллеги », – сказал Фолькер Блюм, профессор машиностроения и материаловедения в Duke. занимается теоретическим моделированием перовскитов, но не участвовал в этом исследовании. "Это означает, что они могут выявить основы свойств материалов в основных перовскитах, которые в противном случае недоступны."
В своем исследовании Делер и его коллеги из Аргоннской национальной лаборатории, Окриджской национальной лаборатории, Национального института науки и технологий и Северо-Западного университета впервые раскрывают важную молекулярную динамику структурно простого, обычно исследуемого галогенидного перовскита (CsPbBr3).
Исследователи начали с большого монокристалла галогенидного перовскита сантиметрового масштаба, который, как известно, трудно вырастить до таких размеров – основная причина, по которой такого рода динамические исследования не проводились до сих пор.
Затем они забросали кристалл нейтронами в Национальной лаборатории Ок-Ридж и рентгеновскими лучами в Аргоннской национальной лаборатории. Измеряя, как нейтроны и рентгеновские лучи отражаются от кристаллов под разными углами и в разные промежутки времени, исследователи выяснили, как составляющие его атомы перемещаются с течением времени.
Подтвердив свою интерпретацию измерений компьютерным моделированием, исследователи обнаружили, насколько активна на самом деле кристаллическая сеть. Восьмисторонние октаэдрические мотивы, связанные друг с другом через атомы брома, были пойманы, скручиваясь вместе в пластинчатых доменах и постоянно изгибаясь вперед и назад очень плавно.
«Из-за того, как атомы расположены с октаэдрическими мотивами, разделяющими атомы брома в качестве суставов, они могут свободно вращаться и изгибаться», – сказал Делер. «Но мы обнаружили, что эти галогенидные перовскиты, в частности, гораздо более« гибкие », чем некоторые другие рецепты. Вместо того, чтобы немедленно принимать форму, они возвращаются очень медленно, почти как Jell-O или жидкость, чем обычный твердый кристалл."
Делер объяснил, что этот беззаботный молекулярный танец важен для понимания многих желаемых свойств галогенидных перовскитов.
Их «гибкость» не позволяет электронам рекомбинировать в дыры, из которых их выбили поступающие фотоны, что помогает им вырабатывать много электричества из солнечного света. И это, вероятно, также затрудняет прохождение тепловой энергии через кристаллическую структуру, что позволяет им вырабатывать электричество из тепла, поскольку одна сторона материала намного горячее, чем другая.
Поскольку перовскит, использованный в исследовании – CsPbBr3 – имеет один из простейших рецептов, но уже содержит структурные особенности, общие для широкого семейства этих соединений, Делер считает, что эти результаты, вероятно, применимы к большому диапазону галогенидных перовскитов. Например, он ссылается на гибридные органо-неорганические перовскиты (ГОИП), рецептура которых намного более сложна, а также на варианты двойного перовскита, не содержащие свинца, которые являются более экологичными.
«Это исследование показывает, почему этот перовскитовый каркас является особенным даже в самых простых случаях», – сказал Делер. "Эти результаты, скорее всего, распространяются на гораздо более сложные рецепты, которые в настоящее время исследуют многие ученые во всем мире. Поскольку они просматривают огромные вычислительные базы данных, динамика, которую мы обнаружили, может помочь решить, какие перовскиты использовать."