Российские физики прояснили загадочный механизм проводимости в перовскитах

Международная команда ученых 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 ученым искать нужный состав и методы работы с перовскитами не “в слепую”, а осознано и с куда большей эффективностью.
Перовскитами называют соединения с почти идеальной структурой кристаллической решетки, несколько напоминающей кубическую. Среди их особенно необычных и перспективных качеств — квантовомеханический эффект, который обычно наблюдается в тонких металлических плёнках из чередующихся слоев ферромагнитных и немагнитных материалов. Он заключается в том, что при взаимном изменении направления намагниченности соседних магнитных слоёв электрическое сопротивления 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 Pr1-xCaxMnO3. 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 ученые обнаружили, что в перовскитах, имеющих формулу Pr1-xCaxMnO3, существует проводимость, связанная не со стандартным движением электронов, а с так называемыми поляронами. Поляроном называют электрон, который при своем распространении в кристаллической решетке смещает ионы в ее "узлах" со своих мест – “гнет” 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 серьезно 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 демонстрирует 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 дешевые и менее экологически проблематичные, чем современные кремниевые.