Физики Санкт-Петербургского университета построили модели для изучения колебаний органических катионов — ключевых элементов, определяющих кристаллическую структуру галогенидных перовскитов, дешевых и технологичных материалов для оптоэлектроники. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ № 22−22−437 «Колебательные свойства органических катионов в гибридных галогенидных перовскитах», опубликованы в Journal of Raman Spectroscopy.
Исследуемый органический катион 3-цианопиридиний. Фото предоставлено Анной Самсоновой
Галогенидные перовскиты — материалы, являющиеся полупроводниками. Их главное преимущество относительно других полупроводников в дешевизне производства, а также потенциальной технологичности при создании устройств оптоэлектроники: от светодиодов до лазеров, от солнечных элементов до фотодетекторов. Для производства таких устройств важно контролировать оптические свойства перовскитов, которые задаются их кристаллической структурой. В частности, в гибридных перовскитах с этой целью могут быть изучены органические катионы, которые сильно влияют на кристаллическую структуру перовскита.
«В нашем исследовании мы исходили из последовательного усложнения расчетной модели от свободной молекулы 3-цианопиридиния до кластерной модели. Кластер — это минимальный фрагмент кристалла, который сохраняет ближайшее неорганическое окружение органической молекулы. То есть молекула 3-цианопиридиния чувствует электростатическое влияние со стороны своих ближайших соседей в перовскитах — атомов галогена и свинца. Далее мы моделировали колебания органических катионов в этих кластерах методом теории функционала плотности и сравнивали с экспериментальными колебательными спектрами перовскитов. Мы пришли к выводу, что с помощью применяемого нами подхода можно описать большинство колебаний 3-цианопиридиния в перовскитах и для этого достаточно моделировать колебания только двух центральных органических катионов в самом простом рассмотренном нами кластере», — рассказала инженер-исследователь кафедры фотоники СПбГУ Анна Самсонова.
Другой важный результат нашего исследования — это предсказание существования водородной связи между атомами галогенов неорганического фрагмента и С-Н-группой кольца. Это поднимает вопрос об энергетической роли дополнительных водородных связей в стабилизации кристаллической структуры гибридных галогенидных перовскитов. Это очень важный вывод, который в перспективе может дать ответ на вопрос, может ли существовать неорганический аналог ДНК.
«Кроме того, сравнение результатов данного расчета с экспериментом можно использовать для нахождения положения атома водорода в кристаллической структуре перовскитов, которое не может быть определено стандартным методом изучения кристаллической структуры материалов — рентгеновской дифракцией. Таким образом, для исследователей комбинирование моделирования колебаний кластеров с органическими катионами и экспериментальных измерений колебательных спектров галогенидных перовскитов является новым способом изучения их кристаллической структуры», — отметила Анна Самсонова.
Таким образом, предлагаемый в нашем исследовании подход моделирования колебаний органических катионов можно использовать для изучения кристаллической структуры гибридных перовскитов, что, в свою очередь, позволит контролировать их свойства для создания новых, более совершенных оптоэлектронных устройств.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ