Физики Санкт-Петербургского государственного университета впервые использовали метод спектроскопии спинового шума для исследования перовскита MAPbI₃ — перспективного материала для солнечных элементов и оптоэлектроники. Ученые обнаружили предельно долгие времена спиновой когерентности свободных носителей в объемном кристалле, а также продемонстрировали изменение магнитных свойств материала от направления внешнего магнитного поля из-за анизотропии кристалла. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Letters.
Исследуемые в работе образцы перовскита MAPbI₃, размещенные на медном держателе с помощью серебряной пасты. Держатель помещается в криостат на «холодный палец» и охлаждается до температуры 3 К. Образцы вырастил кандидат физико‑математических наук Никита Иванович Селиванов. Фото предоставлено Вадимом Козловым
Перовскиты (ABX₃) — это материалы, свойства которых зависят от их состава. Если в них есть галогены (йод, бром, хлор), их называют галогенидными. Такие перовскиты применяют в солнечных панелях, датчиках света и других устройствах.
Один из таких материалов — перовскит MAPbI₃ — эффективный поглотитель и излучатель света. Он представляет собой соединение йода, свинца и органического катиона метиламмония. Физики Санкт‑Петербургского университета активно изучают свойства и возможности использования этого материала. Ранее они измерили его дисперсию показателя преломления при температуре, близкой к абсолютному нулю.
В новом исследовании ученые СПбГУ применили метод спектроскопии спинового шума (ССШ), чтобы изучить случайные колебания спинов в слабом магнитном поле, не возбуждая систему. Спины можно сравнить с наличием маленьких магнитов у частиц, они могут случайно колебаться, и именно эти колебания можно измерять, чтобы изучать магнитные свойства материалов, что принципиально важно для создания новых материалов и технологий.
Раньше ССШ использовали в основном для газов и изотропных полупроводников, например арсенида галлия. Физики СПбГУ предложили использовать этот метод для перовскита.
Чтобы изучить перовскит, не нарушая его структуру, физики СПбГУ использовали слабый инфракрасный лазер, энергии которого недостаточно для возбуждения электронов в материале, что позволило провести эксперимент без искажений. При прохождении через образец поляризация луча света начинает случайно отклоняться от своего начального положения — это явление называется шумом фарадеевского вращения. Благодаря этому удалось обнаружить в перовските свободные положительные носители заряда (так называемые дырки), время спиновой когерентности которых сохранялось рекордно долго для перовскитов — около четырех наносекунд. Кроме того, эксперимент показал, что материал по-разному реагирует на магнитное поле в зависимости от направления. Эта особенность связана с анизотропией структуры кристалла.
«Анизотропия среды — это явление, когда ее свойства (например, прочность или намагниченность) зависят от направления воздействия (приложенной силы или магнитного поля соответственно). Представьте, что кристалл — это не идеальный шар, а что-то вроде деревянного бруска: вдоль волокон он прочный, а поперек — легко ломается. В нашем случае под воздействием внешнего магнитного поля спиновая система перовскита откликается по-разному на разное направление этого поля. А мы можем менять его направление относительно зафиксированного в криостате образца», — объяснил один из авторов работы, аспирант лаборатории оптики спина СПбГУ Вадим Козлов.
По его словам, в ходе эксперимента ученые обнаружили две спиновые подсистемы, связанные с двойникованием кристалла. При определенной ориентации магнитного поля спиновый шум разделился на два пика, при этом кристалл состоял из нескольких областей (двойников), связанных симметрией (например, зеркальным отражением или поворотом). Эти области срастаются, образуя единый, но неоднородный кристалл. Метод спинового шума выступил как «структурный микроскоп», выявив эту скрытую неоднородность.
Исследование выполнено в лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, созданной в рамках мегагранта Министерства науки и высшего образования РФ № 075‑15‑2022‑1112, на оборудовании ресурсных центров СПбГУ «Нанофотоника» и «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ.
Источник информации и фото: пресс-служба СПбГУ
