Исследователи из Национальной лаборатории линейных ускорителей SLAC Стэнфордского университета использовали один из имеющихся в их распоряжении рентгеновских лазеров для того, чтобы отследить процесс возникновения и формирования так называемых поляронов, а также измерить основные характеристики этих образований.
Поляроны - это деформации кристаллической решетки материала, которые возникают вокруг движущихся свободных электронов и исчезают без следа спустя триллионные доли секунды. Несмотря на столь короткую "продолжительность жизни", эти деформации, по предположениям ученых, затрагивают некоторые свойства материала и изменяют его поведение, в частности, реакцию на фотоны света, что особенно сильно проявляется в материалах, относящихся к классу перовскитов.
Перовскиты - это прозрачные материалы, название которых унаследовано от перовскита, прозрачного минерала естественного происхождения. Около десяти лет назад было замечено, что включение материалов этого класса в состав солнечных батарей позволяет значительно увеличить коэффициент преобразования света в электричество. Однако, работа с этим материалам вызывает массу проблем, эти материалы нестабильны, они деградируют и быстро разрушаются под воздействием воздуха, также они содержат в своем составе свинец, токсичный металл, контакта которого с окружающей средой не стоит допускать лишний раз.
Но именно в кристаллах перовскита, синтезированного в одной из лабораторий Стэнфордского университета, первый раз были замечены поляроны. Ученые использовали для этого источник LCLS (Linac Coherent Light Source), самый мощный и быстрый рентгеновский лазер на свободных электронах, который способен обеспечить съемку внутри материалов практически с атомарной разрешающей способностью и запечатлеть движения атомов на временной шкале в миллионную долю от миллиардной доли секунды.
Во время эксперимента кристалл перовскита освещался светом обычного лазера, за импульсом которого сразу же следовал синхронизированный импульс рентгеновского лазера, который и позволил увидеть реакцию образца материала на свет. Было установлено, что материал начинает реагировать на свет с задержкой, измеряющейся десятками триллионных долей секунды. А реакция материала заключается в начале формирования поляронных деформаций, которые сначала имеют размер, сопоставимый с расстоянием между двумя соседними атомами в кристаллической решетке, а затем быстро расширяются до диаметра около 5 миллиардных долей метра, что приблизительно соответствует ширине 10 атомных слоев. При этом, процесс формирования полярона очень быстр, он происходит всего за несколько пикосекунд.
И в заключении отметим, что повышенный интерес со стороны ученых к данному явлению объясняет то, что поляроны могут быть именно той причиной, почему солнечные батареи, изготовленные из гибридных перовскитов, демонстрируют присущую им высокую эффективность. И знание того, как эти деформации кристаллической решетки формируются, развиваются, плюс знание их параметров, таких, как форма, размер и время существования, позволят ученым найти ответы на множество вопросов, что, в свою очередь, в будущем сделает область солнечной энергетики более эффективной и рентабельной с экономической точки зрения.