Предложен универсальный метод предсказания свойств сложных кристаллов

Исследователи из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ совершили прорыв в материаловедении: они разработали универсальный метод предсказания структуры и свойств сложных кристаллов. Как сообщила порталу Наука Mail пресс-служба Минобрнауки РФ, ученые доказали, что изменение химического состава материала влияет на его кристаллическую решетку так же, как нагрев или внешнее давление. Это позволяет применять законы термодинамики для создания веществ с заданными характеристиками. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (грант № 22-72-10022-П), опубликованы в журнале Materials Horizons.

Создание новых материалов долгие годы напоминало поиск сокровищ вслепую: химики синтезировали соединения методом проб и ошибок, опираясь на интуицию и грубые эмпирические правила. Один из самых перспективных классов веществ — перовскиты, обширное семейство кристаллов с внутренней структурой в виде гибкого трехмерного каркаса из связанных вершинами октаэдров. До сих пор ученые не имели универсального инструмента для расчета деформации этого каркаса при замене атомов в решетке. Традиционно использовали фактор толерантности — геометрическое соотношение радиусов атомов. Он неплохо работал для простых оксидов с ионными связями, но давал сбой в случае сложных систем с ковалентными связями — например, галогенидов и халькогенидов, которые востребованы для солнечных батарей и оптоэлектронных устройств.

Исследователи из лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, Михаил Таланов и Екатерина Троценко, решили проблему разрыва между химией и физикой твердого тела. Они разработали универсальный математический язык, который связывает химический состав с геометрическими искажениями кристаллов.

Целью работы было выявить фундаментальные законы, описывающие, как природа химических связей влияет на наклон октаэдров и смещение атомов в структуре перовскита. Для этого ученые использовали феноменологическую теорию фазовых переходов Льва Ландау — основу современной физики, традиционно описывающую поведение вещества под воздействием внешних факторов.

Согласно классической теории, при охлаждении или сжатии материалы могут менять внутреннюю симметрию — претерпевать фазовый переход. Это описывается параметрами порядка: они отражают коллективные структурные деформации решетки и лучше характеризуют материалы, чем упрощенные радиусы атомов. Взаимосвязи между параметрами порядка и их изменения под внешними воздействиями определяются принципами симметрии.

Ученые из МФТИ впервые показали, как эти правила работают при изменении химического состава системы. Для доказательства они применили математический аппарат теории групп и проанализировали 227 перовскитов одной группы симметрии. Выяснилось, что добавление нового химического элемента создает в материале напряжение — оно заставляет решетку сжиматься и искажаться по тем же законам физики, что и при понижении температуры.

Главным открытием стала прямая математическая зависимость между химическим составом и степенью искажения кристалла: обнаружена связь между характеристиками химической связи и параметрами порядка. Угол наклона микроскопических октаэдров оказался связан со степенью ковалентности (готовностью атомов делиться электронами): чем прочнее «электронное взаимодействие», тем сильнее искажается внутренний каркас материала.

Этот результат позволил разделить химически разные группы материалов на основе структурных параметров порядка, то есть решить задачу, которая ранее не поддавалась даже методам машинного обучения.

«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», — отметил Михаил Таланов, ведущий научный сотрудник лаборатории терагерцовой спектроскопии Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ.

Новая теоретическая модель учитывает все степени свободы искаженных кристаллических решеток и эффекты перераспределения электронной плотности между атомами. Она позволяет точно настраивать параметры неорганических перовскитов — это нужно для создания долговечных и высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, которые не деградируют так быстро, как органические аналоги.

Благодаря точной математической формуле, связывающей характеристики химической связи с углом наклона октаэдров, ученые могут с высокой точностью подбирать легирующие элементы. Те, в свою очередь, обеспечивают нужную степень искажения кристаллической решетки и изменяют оптические свойства кристалла — а это напрямую влияет на эффективность преобразования солнечной энергии.

В дальнейшем исследователи планируют применить эту методологию к другим классам кристаллов и разработать стратегию создания новых функциональных материалов.

Источник: Пресс –служба РНФ