Российские физики прояснили загадочный механизм проводимости в перовскитах

Международная команда учёных из МФТИ, Ростова-на-Дону, Китая, Германии и Франции выяснила, как именно распространяются в перовскитах (материале солнечных батарей будущего, по версии журнала Science) частицы, отвечающие за проводимость. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review B. Предполагается, что открытие позволит учёным искать нужный состав и методы работы с перовскитами не "вслепую", а осознанно и с куда большей эффективностью.

Перовскитами называют соединения с почти идеальной структурой кристаллической решётки, несколько напоминающей кубическую. Среди их особенно необычных и перспективных качеств — квантовомеханический эффект, который обычно наблюдается в тонких металлических плёнках из чередующихся слоёв ферромагнитных и немагнитных материалов. Он заключается в том, что при взаимном изменении направления намагниченности соседних магнитных слоёв электрическое сопротивление такой структуры резко меняется. Просто изменив направление приложения внешнего магнитного поля, можно добиться эффектов, сравнимых с полупроводниковыми. Однако, хотя соединения с такой структурой и свойствами исследуют уже не одно десятилетие, многие из их свойств остаются загадкой.

Авторы работы попробовали найти ответ на одну из самых интригующих загадок — каков механизм проводимости и её изменений в перовските Pr_1-xCa_xMnO₃. От механизма проводимости зависит как управление свойствами этого материала (тем же магнетосопротивлением), так и его наиболее эффективная интеграция в солнечные батареи.

Чтобы понять, какие именно частицы материала являются проводящими, учёные прикладывали к образцам напряжение разной частоты и замеряли, как меняется в зависимости от неё индуцируемый ток. Чтобы не пропустить никаких деталей, физики отслеживали частотные и температурные зависимости проводимости и диэлектрической проницаемости в очень широком диапазоне — от 5 до 3000 сименсов. В рамках исследования сравнивались свойства перовскитов с разным соотношением кальция (Ca) и празеодима (Pr).

Так учёные обнаружили, что в перовскитах, имеющих формулу Pr_1-xCa_xMnO₃, существует проводимость, связанная не со стандартным движением электронов, а с так называемыми поляронами. Поляроном называют электрон, который при своём распространении в кристаллической решётке смещает ионы в её "узлах" со своих мест — "гнёт" кристалл. Перовскиты со своей структурой хорошо подходят для возникновения таких пар "кристалл-электрон". Как выяснилось в ходе исследования, поляроны в перовскитах этого типа двигаются как единое целое — когерентно. Такой механизм проводимости называется зонным, то есть они двигаются практически как свободные частицы, а не от "точки к точке". Когерентность в ряде случаев имеет большое количество практически полезных приложений — именно она отвечает за необычные свойства лазеров, сверхпроводников и ряд других полезных феноменов.

Получив новые экспериментальные результаты, исследователи надеются, что они серьёзно продвинут внедрение перовскитов в целый ряд коммерчески значимых приложений. Уже существует опытный образец высокоэффективной недорогой установки по разделению воды на кислород и водород, основанной на перовскитах. В ряде случаев эти материалы демонстрируют и другие полезные свойства (например, могут быть светодиодами), но, не понимая, как именно двигаются через них электроны, ранее не удавалось корректно воспользоваться этими возможностями при нормальных температурах.

В настоящий момент считается, что наиболее перспективным приложением для перовскитных по структуре материалов являются эффективные солнечные батареи, более дешёвые и менее экологически проблематичные, чем современные кремниевые.