První pohled na Polarony. Pomíjivé zkreslení. Vytvoření slibného energetického materiálu pro příští generaci

Obrázek ukazuje póly: přechodná zkreslení v atomové síti hmoty. Olověný hybridní perovskit v nové generaci slibného energetického materiálu. Uznání: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Tyto přechodné poruchy, poprvé pozorované u olovnatých hybridních perovskitů, mohou pomoci vysvětlit, proč jsou tyto látky výjimečně dobré při přeměně světla na elektřinu v dobrých krevních buňkách.

Polarony jsou přechodná zkreslení v atomové síti hmoty, která se vyskytují kolem pohybujícího se elektronu během několika bilionů sekundy a poté rychle mizí. Bez ohledu na to, jak dočasné jsou, ovlivňují chování materiálu; mohou být dokonce důvodem, proč krvinky s olověnými hybridními perovskity dosahují v laboratoři extrémně vysoké účinnosti.

Vědci z laboratoře SLAC National Accelerator Laboratory na katedře energetiky na Stanfordské univerzitě nyní pomocí laboratorních rentgenových laserů poprvé pozorovali přímé měření tvorby pólů. Vyhlásili své výsledky Přírodní materiály 4. ledna 2021.

„Tyto materiály se dostaly do oblasti výzkumu solární energie kvůli bouři, kvůli jejich vysoké účinnosti a nízkým nákladům, ale lidé se stále hádají o tom, proč pracují,“ řekl Aaron Lindenberg, výzkumník ze Stanfordského institutu pro energetické vědy (SIMES). Ve společnosti SLAC և Stanford, docent, který vedl výzkum.

„Myšlenka, že póly mohou být zapojeny, existuje již několik let,“ řekl. „Ale naše experimenty jsou první, které se přímo zabývají tvorbou těchto lokálních zkreslení, včetně jejich velikosti, tvaru a vývoje.“

Jak jsou rozložena zatížení prostřednictvím příští generace energetického materiálu?

Obrázek ukazuje póly, přechodná zkreslení v atomové síti hmoty, do hybridního perovskitu nové generace slibného energetického materiálu, olova. Vědci ve SLAC ve Stanfordu si poprvé všimli, jak se tyto „bubliny“ zkreslení tvoří kolem otvorů v nosičích náboje – elektronů – uvolňovaných světelnými impulsy, které jsou zde zobrazeny jako světlé skvrny. Tento proces může pomoci vysvětlit, proč elektrony v těchto materiálech cestují tak efektivně, což vede k vysoké účinnosti krevních buněk. Uznání: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Vzrušující, složité a těžko srozumitelné

Perovskity jsou krystalické materiály zvané perovskitové rudy, které mají podobnou atomovou strukturu. Vědci je začali zavádět do krevních buněk asi před deseti lety a účinnost těchto buněk při přeměně slunečního záření na energii se neustále zvyšuje, a to navzdory skutečnosti, že jejich perovskitové složky mají mnoho defektů, které musí blokovat tok elektřiny.

„Tyto materiály jsou dobře známé a těžko srozumitelné,“ řekl Lindenberg. Přestože je vědci považují za vzrušující, protože jsou „efektivní“, je snadné je vyrobit, což zvyšuje pravděpodobnost, že mohou zlevnit krvinky než dnešní křemíkové buňky, jsou však také velmi nestabilní, pod vlivem vzduchu se rozkládají. : obsahují olovo, které musí být skladováno. z prostředí.

Předchozí studie na SLAC se zabývaly povahou perovskitů pomocí „elektronické kamery“ nebo rentgenového záření. Mimo jiné zjistili, že světlo točí atomy v perovskitech; „měřili“ životní cyklus akustických fononů, zvukových vln, které přenášejí teplo hmotou.

Pro tuto studii Lindenbergův tým použil výkonný laboratorní rentgenový laser Linac Coherent Light Source (LCLS), který dokáže zobrazovat materiály v blízkých atomových detailech a zachytit atomové pohyby, které se vyskytují za miliardtinu sekundy. Dívali se pouze na krystaly materiálu syntetizovaného stanfordským profesorem Hamamalou Karunadasou.

Dopadli na malý vzorek světla optickými lasery a poté pomocí rentgenových laserů zjistili, jak materiál reagoval za desítky bilionů sekundy.

Polaros se rychle rozšiřuje

Jak ukazuje tato animace, polaronická zkreslení začínají velmi malá a rychle se rozšiřují ve všech směrech, průměr je asi 5 miliardtin metru, což se zvyšuje asi 50krát. Tím je vystaveno asi 10 vrstev atomů, které jsou mírně vnější, ve sférickém prostoru desítek pikos / s nebo biliontiny sekundy. Tato zkreslení byla nejprve měřena v olověných hybridních perovskitech s elektronovými paprsky bez rentgenových paprsků v SLAC National Accelerator Laboratory. Uznání: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Expanze zkreslujících bublin

„Když nabijete hmotu světlem, jako ve slunečním článku, elektrony se uvolní a tyto volné elektrony se začnou pohybovat kolem hmoty,“ řekl Burak Guzelturk, vědec z národní laboratoře Argonne DOE. Během experimentů byl postdoktorským výzkumníkem ve Stanfordu.

„Brzy jsou obklopeni a pohlceni jakousi místní zkreslující bublinou, nákladem, který je doprovází,“ řekl. „Někteří tvrdí, že tato„ bublina “chrání elektrony před rozptylem defektů materiálu, což pomáhá vysvětlit, proč tak účinně cestují kontaktem krvinek, aby proudily jako elektřina.“

Mřížová struktura hybridního perovskitu je pružná a měkká, jako „podivná kombinace pevné a kapalné látky současně“, jak uvádí Lindenberg, „právě to umožňuje pólům formovat se a růst.“

Jejich pozorování ukazují, že polární zkreslení začínají velmi malá, na stupnici několika angstromů, ve vzdálenosti mezi atomy atomů, rychle se rozšiřující do všech směrů, asi 5 miliardtin průměru, což je asi 50násobné zvýšení. Tím je vystaveno asi 10 vrstev atomů, které jsou mírně vnější, ve sférickém prostoru desítek pikos / s nebo biliontiny sekundy.

„Toto zkreslení je ve skutečnosti dost velké, něco, co jsme předtím nevěděli,“ řekl Lindenberg. „Je to naprosto nečekaná věc.“

Přidal. „I když tato zkušenost ukazuje co nejpříměji, že tyto objekty skutečně existují, neukazuje, jak přispívají k účinnosti krevních buněk. Je třeba udělat ještě více, abychom pochopili, jak tyto procesy ovlivňují vlastnosti těchto materiálů. “

Odkaz. Odraz dynamických polárních kmenových polí v hybridních olověných halogenových perovskitech Burak Guzelturk, Thomas Winkler, Tim Ouj van de Gore, Matthew D. Smith, Sean A. Burrell, Sasha Feldman, Mariano Trigo, Samuel W. – Georg Steinruk, Gil Ilberto A. De la Pena, Roberto Alonso-Mori, Dilling Hu u, Takahiro Sato, Hemamala I. Karunadasa, Michael F. Toney, Felix Deshler և Aaron M. Lindenberg, 4. ledna 2021 Přírodní materiály,
DOI: 10.1038 / s41563-020-00865-5:

LCLS je uživatelské zařízení DOE Science Office. Lindenberg je také vyšetřovatelem ve Stanfordském institutu PULSE, společném ústavu SLAC a Stanfordu, jako je SIMES. Vědci z University of Cambridge ve Velké Británii; Aarhuská univerzita V Dánsku; K této studii přispěla také univerzita v Paderbornu a technická univerzita v Mnichově. Hlavní financování pocházelo z vědecké kanceláře DOE.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Kampaň NASA SnowEx kopání hluboko v roce 2021

Měření sněhu se může zdát jednoduché, ale každé prostředí představuje pro přístroje jedinečné výzvy. Například sněžení v lesích se zachytává na větvích nebo...

Agresivní tržní model vývoje energie z jaderné syntézy

Koncept ARC Fusion Pilot Plant byl vyvinut na MIT, aby demonstroval potenciál vysokoteplotních supravodivých magnetů pro nastavení hodnoty rychlosti fúzní energie և. Půjčka:...

Sekvence 64 úplných lidských genomů k zachycení lepší genetické rozmanitosti

Struktura genomu. Zápočet: NIH Sekvence 64 lidských genomů poslouží jako nový odkaz na genetické modifikace a predispozici k lidským chorobám Vědci z University of Maryland...

LSD může nabídnout udržitelnou léčbu úzkosti a jiných duševních poruch

McGill studoval krok v porozumění mechanismu vlivu psychedelik na mozek a potenciálu pro terapeutické použití. Vědci z McGill University poprvé objevili jeden z možných mechanismů,...

Nenechte si ujít příští úplněk – sníh, bouře a hladový měsíc

Uznání: NASA / Bill Dunford Příští úplněk je měsíc se sněhem, bouří a hladem; měsíc během svátků svátku Puim; festival čínských luceren; Magha Purnima a...

Newsletter

Subscribe to stay updated.