Разгадка тайны перовскитов: в ЮФУ выявили способ контроля над их структурой, что позволит синтезировать новые материалы

Минерал CaTiO₃, открытый в первой половине XIX века Густавом Розе и названный перовскитом в честь русского минералога Льва Алексеевича Перовского, дал название и новому кристаллическому классу. Кристаллический класс перовскита является универсальной платформой для создания новых материалов, проявляющих самые разные физические свойства, например, пьезоэлектрические, то есть способность деформироваться при приложении электрического напряжения и создавать электрическое напряжение при деформации. Это используется, например, для генерации и приема ультразвуковых волн в ультразвуковых исследованиях (УЗИ). Другое свойство – способность накапливать и быстро отдавать электрическую энергию, что используется для создания электрических конденсаторов. Наконец из последних применений – фотовольтаический эффект, то есть возникновение электрического напряжения при облучении видимым светом, что используется в солнечных батареях. Кстати, перовскиты-галогениды используют в солнечных батареях, они дешевле и проще в изготовлении, чем кремниевые, при схожей или лучшей эффективности.

В последние пять лет активно исследуются так называемые высокоэнтропийные перовскиты, в которых в одной или обеих катионных подрешётках находится пять или более различных видов атомов в примерно одинаковых соотношениях. Наличие такого разнообразия и беспорядка в подрешётках приводит к высоким значениям конфигурационной энтропии кристалла, что оказывает стабилизирующее действие на кристаллическую структуру.

Как заявляют эксперты, если упорядочить атомы в них, то можно получить стабильную и интересную для применения в различных областях структуру. Так, высокоэнтропийные перовскиты уже зарекомендовали себя как перспективные материалы для систем запасания энергии и твердооксидных топливных элементов и в фотокатализе.

Такие кристаллы перовскитов (высокоэнтропийные) уже найдены экспериментально, однако условия возникновения атомного упорядочения и типы возникающего порядка до настоящего времени оставались не изучены. В недавнем исследовании ученые Научно-исследовательского института физики ЮФУ Алексей Моцейко и Никита Тер-Оганесян исследовали атомное упорядочение в перовскитах-оксидах для того, чтобы определить при какой температуре оно происходит. Как заявляют авторы работы, экспериментатор, зная состав своего перовскита, может оценить эту температуру с помощью результатов данного исследования. Дальше, выдерживая некоторое время перовскит при температуре ниже или выше температуры упорядочения, можно получить упорядоченный или разупорядоченный образец, а они могут иметь разные свойства. Таким образом можно управлять свойствами перовскита, изменяя степень атомного упорядочения.

«Перовскит относится к кристаллическому классу с общей химической формулой ABХ₃. Здесь A и B – металлы, а X – кислород, сера, фтор, хлор, бром или йод. Таким образом, наличие различных сортов атомов в одной или обеих катионных подрешётках A и B часто приводит к возможности возникновения атомного упорядочения по узлам кристаллической решётки перовскита. Степень атомного упорядочения по узлам кристаллической решётки, которой можно управлять, варьируя условия приготовления образца, качественно влияет и на свойства кристалла. Так, например, упорядоченный и разупорядоченный скандо-танталат свинца качественно отличаются по своим диэлектрическим свойствам», – рассказал доктор физ.-мат. наук, главный научный сотрудник отдела кристаллофизики НИИ Физики ЮФУ Никита Тер-Оганесян.

В работе команда ученых провела моделирование атомного упорядочения во многих высокоэнтропийных перовскитах, как уже экспериментально полученных, так и ожидающих своего синтеза. Как итог, они разработали метод контроля температуры, который позволил управлять свойствами важнейшего материала – перовскита той или иной структуры. Это открывает дорогу к созданию новых функциональных материалов для энергетики, электроники и другим отраслям промышленности.

«Это позволяет использовать полученные сведения для оценки возможности атомного упорядочения в перовските заданного состава, определения типа возникающего атомного порядка и целенаправленного управления степенью атомного порядка при помощи температурной обработки кристаллов ниже или выше температуры фазового перехода атомного упорядочения», – пояснил Никита Тер-Оганесян.

Исследование, результаты которого изложены в научном журнале «Journal of Alloys and Compounds», выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-22-00678).