Ученые СПбГУ описали колебания органических катионов в дешевых материалах для оптоэлектроники

Галогенидные перовскиты — материалы, являющиеся полупроводниками. Их главное преимущество относительно других полупроводников в дешевизне производства, а также потенциальной технологичности при создании устройств оптоэлектроники: от светодиодов до лазеров, от солнечных элементов до фотодетекторов. Для производства таких устройств важно контролировать оптические свойства перовскитов, которые задаются их кристаллической структурой. В частности, в гибридных перовскитах с этой целью могут быть изучены органические катионы, которые сильно влияют на кристаллическую структуру перовскита.

В нашем исследовании мы исходили из последовательного усложнения расчетной модели от свободной молекулы 3‑цианопиридиния до кластерной модели.

Инженер‑исследователь кафедры фотоники СПбГУ Анна Самсонова

«Кластер — это минимальный фрагмент кристалла, который сохраняет ближайшее неорганическое окружение органической молекулы. То есть молекула 3‑цианопиридиния чувствует электростатическое влияние со стороны своих ближайших соседей в перовскитах — атомов галогена и свинца. Далее мы моделировали колебания органических катионов в этих кластерах методом теории функционала плотности и сравнивали с экспериментальными колебательными спектрами перовскитов. Мы пришли к выводу, что с помощью применяемого нами подхода можно описать большинство колебаний 3‑цианопиридиния в перовскитах и для этого достаточно моделировать колебания только двух центральных органических катионов в самом простом рассмотренном нами кластере», — рассказала инженер‑исследователь кафедры фотоники СПбГУ Анна Самсонова.

Другой важный результат нашего исследования — это предсказание существования водородной связи между атомами галогенов неорганического фрагмента и С‑Н‑группой кольца. Это поднимает вопрос об энергетической роли дополнительных водородных связей в стабилизации кристаллической структуры гибридных галогенидных перовскитов. Это очень важный вывод, который в перспективе может дать ответ на вопрос, может ли существовать неорганический аналог ДНК.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ № 22-22-00437 «Колебательные свойства органических катионов в гибридных галогенидных перовскитах», опубликованы в Journal of Raman Spectroscopy.

«Кроме того, сравнение результатов данного расчета с экспериментом можно использовать для нахождения положения атома водорода в кристаллической структуре перовскитов, которое не может быть определено стандартным методом изучения кристаллической структуры материалов — рентгеновской дифракцией. Таким образом, для исследователей комбинирование моделирования колебаний кластеров с органическими катионами и экспериментальных измерений колебательных спектров галогенидных перовскитов является новым способом изучения их кристаллической структуры», — отметила Анна Самсонова.

Санкт‑Петербургский университет является лидером по количеству грантов Российского научного фонда. В 2022 году ученые СПбГУ получили 112 грантов, это 5,5 % от общего числа победивших проектов и наибольшее число грантов для одной организации. При этом 25% поддержанных проектов выполняются под руководством молодых исследователей. В 2023 году Университет сохранил лидерство по данному конкурсу РНФ: ученые СПбГУ получили 70 грантов, это 5 % от общего числа победивших проектов. От Санкт‑Петербургского университета на конкурс 2023 года было подано 214 заявок, и практически каждая третья из них получила поддержку.

Таким образом, предлагаемый в нашем исследовании подход моделирования колебаний органических катионов можно использовать для изучения кристаллической структуры гибридных перовскитов, что, в свою очередь, позволит контролировать их свойства для создания новых, более совершенных оптоэлектронных устройств.

Санкт‑Петербургский государственный университет — первый университет России был основан 28 января (8 февраля) 1724 года, когда Петр I издал указ об учреждении Университета и Российской академии наук. Сегодня СПбГУ — научный, образовательный и культурный центр мирового уровня. В 2024 году Санкт‑Петербургский университет отметит свой 300‑летний юбилей.

План мероприятий в рамках празднования юбилея Университета был утвержден на заседании оргкомитета по празднованию 300‑летия СПбГУ, которое провел заместитель председателя Правительства РФ Дмитрий Чернышенко. Среди таких мероприятий — присвоение малой планете имени в честь СПбГУ, выпуск банковских карт со специальным дизайном, создание почтовых марок, посвященных истории первого университета России, брендирование самолета авиакомпании «Россия» и многое другое. Кроме того, Университет запустил сайт, посвященный предстоящему празднику, с информацией о выдающихся универсантах, научных достижениях и подробностях подготовки к юбилею.