Ученые из Санкт-Петербургского университета впервые применили метод спектроскопии спинового шума для изучения нанокристалла перовскита CsPbI3, помещенного во фторфосфатное стекло. Благодаря ярко выраженной фотолюминесценции и возможности легкой настройки светового излучения, этот материал представляет интерес для применения в оптоэлектронике. О результатах исследования сообщается в научном журнале Applied Materials Today.
Перовскиты (ABX₃) представляют собой обширную группу веществ, объединенных общей кристаллической структурой. Благодаря возможности варьировать состав, можно получать материалы с разнообразными свойствами: от прозрачных диэлектриков до светопоглощающих полупроводников. Эта универсальность обуславливает широкое применение перовскитов в солнечных батареях и светочувствительных датчиках.
Неорганический перовскит CsPbI3 представляет собой соединение цезия и свинца с тремя атомами йода. Нанесение пленок из нанокристаллов этого материала на кремниевые солнечные элементы позволяет существенно увеличить их эффективность. Данный материал характеризуется высокой способностью к поглощению света, то есть способен улавливать большое количество солнечной энергии для генерации электричества. Кроме того, он отличается высоким качеством и проявляет интенсивную фотолюминесценцию, что обусловлено малым количеством дефектов, снижающих энергетические потери.
Научные сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета проводят исследования свойств перовскитов. До этого они уже обнаружили уникальные магнитные свойства кристалла этого материала при помощи шума. В рамках новой научной работы сотрудники СПбГУ совместно с коллегами из ИТМО, СПбГТИ (ТУ) и ФТИ имени А.Ф. Иоффе впервые применили метод оптической спектроскопии спинового шума для изучения спиновых свойств нанокристаллов перовскита CsPbI3, заключенных в стеклянную матрицу. До настоящего момента такой подход в основном использовали для газов и изотропных полупроводников, например арсенида галлия.
Авторы исследования утверждают, что этот современный метод, не требующий вмешательства, позволяет выявлять спонтанные изменения и колебания намагниченности, не нарушая при этом работу системы. Спины можно представить как крошечные магниты, присущие частицам: они подвержены случайным колебаниям, и анализ этих флуктуаций позволяет исследовать магнитные свойства материалов. Эта особенность имеет первостепенное значение при разработке инновационных технологий.
Специалисты Санкт-Петербургского государственного университета разработали композитный материал, сочетающий преимущества перовскита и стекла. Благодаря перовскиту он обладает выдающимися оптическими характеристиками, а стекло обеспечило ему прочность, стабильность и устойчивость к деградации.
Ученые зафиксировали выраженный сигнал прецессии спинов и установили, что частица, имеющая спин и находящаяся в магнитном поле, при отклонении под определенным углом от линий внешнего магнитного поля, продолжает движение и вращается в указанном направлении. Полученный сигнал был соотнесен с резидентными электронами, представляющими собой одиночные частицы, локализованные в квантовой точке.
«g-фактор представляет собой уникальную особенность, присущую частицам и квазичастицам, своего рода «идентификационный знак с магнитным кодом». Он, соответственно, отличается для различных частиц, и его можно определить, используя внешнее магнитное поле. g-фактор показывает, с какой скоростью спин частицы будет вращаться, подобно волчку, под воздействием внешнего магнитного поля. Остается лишь зафиксировать эту прецессию с помощью любого экспериментального метода», — пояснил инженер-исследователь лаборатории оптики спина имени И.Н. Уральцева СПбГУ Вадим Козлов.
При повышении интенсивности зондирующего света и переходе в режим возмущения было зафиксировано два эффекта. В частности, воздействие света с длиной волны 722 нм спровоцировало стабильную и управляемую перезарядку нанокристаллов, что привело к появлению в них дырок – свободных положительных носителей заряда. Ученые отмечают, что это состояние отличается исключительной стабильностью, поскольку сохранялось после повторных циклов нагрева до комнатной температуры и последующего охлаждения.
Второй выявленный эффект касается эллиптически поляризованного излучения. Этот случай характерен, когда конец вектора электрической напряженности описывает эллипс за один период колебаний вокруг направления распространения света. Согласно мнению исследователей, такое освещение породило в системе эффективное «оптическое» магнитное поле вследствие эффекта Штарка – сдвига и расщепления энергетических уровней атомов под воздействием электрического поля. Для подтверждения этого явления физики Санкт-Петербургского университета разработали и использовали оригинальную модификацию метода спинового шума.
Для проведения исследования применялось современное научное оборудование междисциплинарного ресурсного центра «Нанотехнологии» Научного парка СПбГУ.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ