Галогенидные перовскиты — это полупроводники, отличающиеся эффективным взаимодействием со светом, а также простым и дешевым синтезом. Комбинация этих свойств делает их перспективными для применения в устройствах фотоники и оптоэлектроники — от солнечных батарей до лазеров.
Кристаллическая структура таких полупроводников представляет собой каркас из соединенных вершинами октаэдров с полостями, заполненными неорганическими катионами или органическими молекулами‑катионами небольшого размера. Ученые используют перовскитную решетку для создания перовскитоподобных кристаллов, в которых помимо «классического» соединения вершинами возможны и другие — ребрами или гранями.
Для этого при синтезе используются большие органические катионы, например катион 3‑цианопиридиния, который уже позволил ученым Санкт‑Петербургского университета стабилизировать решетку постперовскита. Необычные узоры решеток наделяют такие соединения новыми свойствами, связанными с квантово‑механическими и топологическими эффектами.
Старший научный сотрудник лаборатории кристаллофотоники СПбГУ Никита Селиванов синтезировал новое перовскитоподобное соединение с химической формулой (3‑CF3pyH)2(3‑CF3py)Pb3I8 и изучил его основные оптические свойства. Оказалось, что соединение обладает редкой сотовой структурой «кагомэ», получившей название в честь традиционного японского узора для плетения бамбуковых корзин. Синтезированное учеными Университета соединение имеет такой же шестиугольный сотовый узор. Каналы «сот» заполнены попеременно нейтральными молекулами 3‑фторметилпиридина и соответствующими органическими катионами.
«Изучая такую экстравагантную структуру, мы поняли, что при комнатной температуре исследуемый материал не светится, тогда как при температуре жидкого азота (− 196 °С) обладает интенсивным свечением с широким спектром», — рассказала инженер‑исследователь лаборатории кристаллофотоники СПбГУ Анна Самсонова.
Исследование выполнял коллектив лаборатории кристаллофотоники СПбГУ. Электронные свойства «сот» смоделировали в Университете Крита под руководством профессора Джорджа Копидакиса, а расчеты электронной зонной структуры показали наличие топологических состояний, близких к зоне проводимости: зон «кагомэ».
Как отметил руководитель лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, профессор Университета Крита Консантинос Стомпос, присутствие таких зон в исследуемом соединении удивило ученых, поскольку соединение является представителем неметаллических и немагнитных материалов.
«Надеемся, что будущие эксперименты с внешним воздействием позволят подтвердить нашу гипотезу о том, что (3‑CF3pyH)2(3‑CF3py)Pb3I8 является перспективным квантовым материалом», — пояснил Консантинос Стомпос.
Исследование проводилось в лаборатории кристаллофотоники СПбГУ, созданной по программе мегагрантов Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты опубликованы в научном журнале Сhemistry of Materials.
