Минералы перевскиты обладают удивительным свойством: они способны поглощать и излучать свет — как игрушки с флуоресценцией. Однако их возможности куда шире. Недавнее исследование Кембриджского университета показывает: если вырастить стабильные ультратонкие слои галогенных перовскитов, можно открыть путь к созданию дешёвых и сверхэффективных лазеров, светодиодов, солнечных панелей и даже квантовых устройств — причём без использования дорогого кремния.
Перовскитами называют группу неорганических кристаллов, по структуре напоминающих природный минерал перовскит (оксид кальция и титана, CaTiO₃). Галогенные перовскиты содержат галогены — например, хлор или фтор, образующие соли с металлами.
Учёным давно хотелось использовать такие материалы в электронике. Но был один существенный барьер: перовскиты крайне чувствительны к свету, теплу и влаге. К тому же многие солнечные батареи на их основе требовали свинца — токсичного металла, нарушающего работу нервной системы.
Как устроена новая технология?
Команда из Кембриджа нашла способ обойти эти ограничения. Используя парофазный метод, учёные научились выращивать отдельные 2D- и 3D-слои галогенных перовскитов толщиной в ангстрем — это всего одна десятая нанометра, то есть миллиардная доля метра.
Слои укладываются друг на друга так точно, что их атомы образуют идеально согласованную структуру. В ней электроны и «дырки» (их положительно заряжённые противоположности) свободно перемещаются — словно едут по эскалаторам между этажами крошечного наномагазина, излучая или поглощая свет.
До недавнего времени перовскиты чаще обрабатывали растворами. Но это «грязный» и трудно контролируемый процесс. Паровая технология, как объясняет профессор Сэм Стрэнкс, позволяет добиться атомной точности — такой же, как в производстве полупроводников, но при этом материалы становятся куда более надёжными и простыми в обращении.
Почему это важно?
Открытие открывает дорогу к массовому производству перовскитных устройств по тем же технологиям, что и классические полупроводники, но с лучшими показателями эффективности и долговечности.
Учёные могут теперь менять тип соединения слоёв — удерживать заряды или, наоборот, разделять их — просто корректируя параметры роста кристалла. Это даёт гибкость в создании самых разных электронных и оптоэлектронных компонентов.
По словам сэра Ричарда Френда, одного из руководителей исследования, главное заключается даже не в контроле структуры, а в том, что теперь можно создавать полноценные работающие полупроводники на основе перовскитов. А это может кардинально изменить производство недорогой электроники и солнечных панелей.
Если раньше перовскиты считались перспективными, но капризными материалами, то теперь они уверенно переходят в категорию «технологий будущего». От более ярких светодиодов до дешёвых квантовых устройств — возможности открываются впечатляющие. И всё это благодаря умению выращивать кристаллы толщиной в несколько ангстрем и точному контролю их структуры.
Исследование опубликовано в журнале Science.
