Ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Университета Невады в Лас-Вегасе и других научных центров США разработали новый способ получения двумерных хиральных перовскитов, который позволил почти в 35 раз усилить их способность различать свет с правой и левой круговой поляризацией. Показатель, характеризующий разницу в поглощении такого света, вырос с 3,5 × 10⁻⁴ до 1,2 × 10⁻², что стало одним из самых высоких результатов для подобных материалов.
Исследователи работали с двумерным перовскитом MBA₂PbI₄ на основе свинца и йода. Его структура обладает хиральностью – существует в двух зеркальных вариантах, подобно правой и левой руке. Благодаря этому материал может по-разному поглощать свет с правой и левой круговой поляризацией. Это свойство представляет интерес для оптических и электронных устройств, спинтроники и квантовых технологий.
Обычно такой перовскит получают за один этап: необходимые вещества смешивают в растворе, наносят его на подложку и нагревают. В эксперименте при таком способе образовывалась неоднородная пленка с крупными кристаллами. Ученые разделили процесс на два этапа. Сначала они нанесли на подложку слой иодида свинца PbI₂ толщиной около 90 нм, а затем добавили сверху раствор хиральной органической соли MBAI. Между веществами образовывался временный гелеобразный слой, в котором начиналось формирование перовскита. После этого пленку нагревали при 70 °C в течение 10 минут.
Благодаря гелю кристаллы росли иначе. Вместо крупных зерен формировалось множество вытянутых нанокристаллов шириной от нескольких десятков примерно до 100 нм, расположенных в разных направлениях. Ученые также установили, что формой кристаллов можно управлять с помощью концентрации органической соли. При ее низком содержании получались обычные небольшие зерна, при оптимальном – наностержни, а при слишком высоком они разрастались в более крупные пластинки.
Полученная пленка содержала меньше дефектов и имела более однородную кристаллическую структуру. В частности, среднее время жизни носителей заряда увеличилось примерно на 80% – с 0,88 до 1,58 наносекунды. Расчеты показали, что дефекты ослабляют внутреннюю асимметрию материала, необходимую для различного взаимодействия с правым и левым поляризованным светом. Поэтому уменьшение их количества усилило этот эффект. Дополнительную роль сыграло расположение нанокристаллов в разных направлениях, благодаря которому свет эффективнее взаимодействовал с материалом.
В результате ученым удалось значительно улучшить оптические свойства перовскита, не меняя его основной химический состав, а только изменив способ формирования кристаллов. Пока метод испытан на одном типе хирального перовскита и без изменений подойдет не для всех подобных материалов. Однако сам подход к управлению размером, расположением и качеством кристаллов в перспективе можно использовать при создании материалов для оптоэлектроники, спинтроники и квантовых технологий.
