Рентгеновские вспышки раскрыли, как электронно-дырочные пары воздействуют на атомы в квантовых точках

Йохан Биелецки у инструмента «Single Particles Biomolecules and Clusters/Serial Femtosecond Crystallography» (SPB/SFX) в European XFEL, где проводился эксперимент. Автор: European XFEL

Когда свет попадает на солнечные элементы, создаются так называемые электронно-дырочные пары: электроны возбуждаются и могут почти свободно перемещаться в материале, генерируя электричество. Электроны оставляют после себя «положительные дыры» в полупроводниковом материале, которые также могут перемещаться. И электроны, и дырки несут электрический заряд, слегка деформируя окружающую атомную решётку.

Международная исследовательская группа в European XFEL впервые смогла напрямую наблюдать этот слабый эффект. «С помощью сверхбыстрых вспышек рентгеновского лазера European XFEL мы визуализировали это едва заметное изменение», — объясняет Йохан Биелецки, учёный из группы SPB/SFX, где проводился эксперимент. По словам исследователей, это может стать важным шагом в разработке новых материалов для солнечных элементов или светодиодов.

Исследование опубликовано в журнале ACS Nano.

Изучаемая квантовая точка из цезия, свинца и брома (CsPbBr₃) имела размер всего несколько миллионных долей миллиметра. Квантовая точка — это микроскопический объект, свойства которого можно описать только с помощью квантовой физики.

Когда свет попадает на квантовую точку, создаются электронно-дырочные пары. Из-за своего электрического заряда и электрон, и дырка воздействуют на атомы в кристалле — как если бы два человека тянули сетку, деформируя её. Таким образом, пара частиц создаёт своего рода «вмятину» в кристалле. В физике это состояние называется экситон-поляритоном.

Данные дифракции и реконструкция. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c06716

Деформация решётки затрагивает лишь несколько атомов, но она критически важна для оптических и электронных свойств материала. «Чем лучше мы понимаем деформацию, тем эффективнее сможем разрабатывать улучшенные материалы, например, более производительные дисплеи или чувствительные сенсоры», — говорит Чжоу Шэнь из Института структуры и динамики вещества Макса Планка, ведущий автор исследования.

Для обнаружения деформации решётки требуется особо точный метод. Исследователи использовали European XFEL в Шенефельде (Германия) — крупнейший в мире рентгеновский лазер. Он генерирует сверхкороткие и интенсивные вспышки, позволяя делать снимки за фемтосекунды (квадриллионные доли секунды). «Это как наблюдать за движением атомов с помощью высокоскоростной камеры», — говорит Биелецки.

Путь к новым технологиям

Прямое наблюдение этого эффекта помогает понять, как свет и материя взаимодействуют на мельчайшем уровне. Это важно для многих будущих технологий: от высокочувствительных детекторов света и новых дисплеев до компонентов квантовых компьютеров.

«Наше исследование — первый шаг к контролю над такими эффектами, — говорит Шэнь. — В будущем это может привести к созданию более мощных и энергоэффективных оптоэлектронных компонентов».

Дополнительная информация: Чжоу Шэнь и др., Direct Observation of the Exciton-Polaron in Single CsPbBr3 Quantum Dots, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c06716

Источник: European XFEL