Физики впервые наблюдают мимолетные «поляронные» квазичастицы
Поляроны — это важные наноразмерные явления: переходная конфигурация между электронами и атомами (известная как квазичастицы), существующая всего лишь триллионные доли секунды.
Эти конфигурации обладают уникальными характеристиками, которые могут помочь нам понять некоторые из загадочных свойств материалов, внутри которых они образуются, — и ученые впервые наблюдали их.
Поляроны были измерены в свинцовых гибридных перовскитах, материалах для солнечных элементов нового поколения, которые обещают повысить коэффициент конверсии по сравнению с кремниевыми панелями, которые в основном используются сегодня. Ученые надеются, что наблюдения поляронов в какой-то мере расскажут нам, как именно перовскиты так хорошо превращают солнечный свет в электричество.
Чтобы найти поляроны, ученые фокусировали свет на монокристаллах свинцовых гибридных перовскитов, наблюдая с помощью гигантского рентгеновского лазера на свободных электронах, называемого Linac Coherent Light Source (LCLS), способного отображать материалы в самых маленьких масштабах в кратчайшие сроки, до триллионных долей секунды (или пикосекунд).
«Когда вы помещаете заряд в материал, направляя на него свет, как это происходит в солнечном элементе, электроны высвобождаются, и эти свободные электроны начинают перемещаться по материалу», — говорит физик Бурак Гузельтурк из Аргоннской национальной лаборатории. Министерства энергетики США.
«Вскоре они окружены и охвачены своего рода пузырем локальных искажений — поляроном — который движется вместе с ними. Некоторые ученые утверждали, что этот пузырь защищает электроны от рассеяния дефектами в материале и помогает объяснить, почему они перемещаются так эффективно к контакту солнечного элемента вытекать в виде электричества».
Какими бы многообещающими ни были перовскиты в качестве материала для солнечных панелей, не совсем понятно, почему: они имеют множество дефектов, которые должны ограничивать скорость прохождения тока через них, и они, как известно, хрупкие и нестабильные.
Поляроны, по сути, представляют собой кратковременные искажения структуры атомной решетки материала, и было показано, что они смещают примерно 10 слоев атомов наружу. Искажение увеличило расстояние между окружающими атомами примерно в 50 раз — до 5 миллиардных долей метра — за десятки пикосекунд.
Материал в некотором смысле ведет себя одновременно как твердое тело и жидкость.
«Эти материалы ворвались в сферу исследований солнечной энергии из-за их высокой эффективности и низкой стоимости, но люди до сих пор спорят о том, почему они работают», — говорит материаловед Аарон Линденберг из Стэнфордского университета.
«Идея о том, что поляроны могут быть задействованы, существует уже несколько лет, но наши эксперименты являются первыми, в которых непосредственно наблюдается формирование этих локальных искажений, включая их размер, форму и то, как они развиваются».
Хотя перовскиты уже используются в солнечной энергетике, часто в сочетании с кремнием, у них есть свои проблемы — хотя мы видели значительное повышение эффективности от этих материалов, предполагается, что они способны на большее.
Тем не менее, исследователи, стоящие за открытием полярона, стремятся подчеркнуть, что они еще не ответили на все вопросы, связанные с этими квазичастицами, и еще многое предстоит узнать об их влиянии на перовскиты и другие материалы.
«Хотя этот эксперимент максимально прямо показывает, что эти объекты действительно существуют, он не показывает, как они влияют на эффективность солнечного элемента», — говорит Линденберг. «Еще предстоит проделать дополнительную работу, чтобы понять, как эти процессы влияют на свойства материалов».
Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Источники: Фото: (Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory)/
