Ученые МФТИ предложили универсальный метод предсказания структуры и свойств сложных кристаллов

Специалисты Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ предложили универсальный количественный метод предсказания структуры и свойств сложных кристаллов. Ученые математически доказали, что изменение химического состава материала действует на его кристаллическую решетку точно так же, как нагрев или внешнее давление, что позволяет использовать строгие законы термодинамики для дизайна новых веществ с заданными характеристиками.

Процесс создания новых материалов на протяжении многих десятилетий напоминал поиск сокровищ вслепую. Химики синтезировали соединения преимущественно методом проб и ошибок, опираясь на интуицию и весьма грубые эмпирические правила.

Например, для перспективного с точки зрения технологий класса перовскитов, чья внутренняя архитектура напоминает гибкий трехмерный каркас из связанных вершинами октаэдров, использовали так называемый фактор толерантности — геометрическое соотношение радиусов атомов. Для простых оксидов с преимущественно ионным типом химических связей это правило работало относительно неплохо, но когда дело доходило до химически сложных систем, формулы давали сбой. А ведь именно такие материалы, в частности галогениды и халькогениды, являются наиболее востребованными для создания солнечных батарей и оптоэлектронных устройств.

Цель работы заключалась в том, чтобы найти фундаментальные законы, связывающие природу химических связей с тем, как именно наклоняются октаэдры и смещаются все атомы в структуре перовскита. Для этого авторы обратились к феноменологической теории фазовых переходов Льва Ландау, которая традиционно описывает макроскопическое поведение вещества исключительно под воздействием внешних факторов.

Согласно этой классической теории, при охлаждении или сжатии материалы могут менять свою внутреннюю симметрию, претерпевая фазовый переход, что описывается математическими величинами, известными как параметры порядка. Взаимосвязи между различными параметрами порядка и их эволюция под воздействием внешних воздействий в сложных системах определяются фундаментальными принципами симметрии.

Ученые из МФТИ впервые показали, как выполняются эти строгие правила при изменении внутренних параметров системы, а именно химического состава. Оказалось, что внедрение нового химического элемента создает внутри материала мощное напряжение — своеобразную невидимую пружину, которая заставляет решетку сжиматься и искажаться по тем же строгим законам физики, что и при падении температуры.

«Долгие годы теория Ландау оставалась классическим инструментом для описания того, как материал реагирует на внешние стимулы, в то время как химический состав считался жестким и неизменным. Мы же показали, что химическое пространство можно и нужно рассматривать как набор полноценных термодинамических переменных. Если вы заменяете один атом на другой, решетка кристалла реагирует на это по тем же строгим законам симметрии, что и при изменении температуры среды. Это превращает дизайн материалов в точную науку», — рассказал один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Михаил Таланов.

По словам ученых, новая теоретическая модель учитывает все степени свободы искаженных кристаллических решеток, а также мельчайшие эффекты перераспределения электронной плотности между атомами. Она позволяет целенаправленно настраивать параметры неорганических перовскитов для конструирования долговечных и высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, лишенных проблемы быстрой деградации, свойственной многим современным органическим аналогам.

Зная точную математическую формулу, связывающую характеристики химической связи и угол наклона октаэдров, исследователи могут с ювелирной точностью подбирать легирующие элементы, которые обеспечат необходимую степень искажения кристаллической решетки и связанные с этим изменения в оптических свойствах кристалла, что критически важно для повышения эффективности преобразования солнечной энергии.

Ученые планируют масштабировать предложенную методологию на другие классы кристаллов и разработать рациональную стратегию создания новых функциональных материалов.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации