ИСТИНА

Полупроводниковые материалы на основе гибридных галогенидных перовскитов состава ABX3 (A = CH3NH3(+), (NH2)2CH(+), Cs(+); B = Pb(2+), Sn(2+); X = I(-), Br(-), Cl(-)) и производные от них низкоразмерные структуры с различными органическими катионами в последнее десятилетие вызывают колоссальный интерес научного сообщества благодаря их уникальному набору оптоэлектронных свойств при сравнительной простоте синтеза объектов, что в совокупности определяет перспективность ряда практических приложений данного класса материалов, таких, как солнечные элементы, детекторы радиационного излучения, светодиоды. На сегодняшний день известно порядка 1200 экспериментально расшифрованных кристаллических структур гибридных галогенидных перовскитоподобных фаз. Такие перспективные соединения активно синтезируются многими группами ученых по всему миру для применения в различных оптоэлектронных устройствах, что, определяет необходимость исследования их оптоэлектронных свойств, в частности, ширины запрещенной зоны. Для того, чтобы рационализировать экспериментальный поиск соединений, обладающих целевой шириной запрещенной зоны необходимо выявить взаимосвязи состав-структура-свойство в данном обширном классе соединений. На сегодняшний день наиболее значимой научной проблемой при направленном химическом дизайне таких соединений является отсутствие чёткого понимания взаимосвязи типа органического катиона и искажения неорганической подструктуры, которая вносит решающий вклад в значение их оптоэлектронные свойства. На пути к решению такой комплексной проблемы необходимо решить ряд других научных проблем, на решение которых направлен настоящий проект. Научная новизна и значимость исследований в предлагаемом проекте связана с разработкой новой для данного класса полупроводниковых материалов классификационной модели, которая станет инструментом для анализа экспериментальных данных и создания алгоритмов машинного обучения для предсказания взаимосвязей состав-структура-свойство в данном классе объектов. Актуальность решения обозначенной проблемы заключается в необходимости создания теоретических основ для успешного синтеза и исследования физических свойств гибридных галогенидных перовскитоподобных фаз с целевыми функциональными характеристиками.

Semiconductor materials based on ABX3 hybrid halide perovskites (A = CH3NH3(+), (NH2)2CH(+), Cs(+); B = Pb(2+), Sn(2+); X = I(-)) , Br(-), Cl(-)) and low-dimensional structures derived from them with various organic cations in the last decade have been of great interest to the scientific community due to their unique set of optoelectronic properties with the relative ease of synthesizing objects, which together determines the promise of a number of practical applications of this class of materials such as solar cells, radiation detectors, LEDs. To date, about 1200 experimentally refined crystal structures of hybrid halide perovskite-like phases are known. Such promising compounds are being actively synthesized by many groups of scientists around the world for use in various optoelectronic devices, which determines the need to study their optoelectronic properties, in particular, the band gap. In order to rationalize the experimental search for compounds with a target band gap, it is necessary to identify composition-structure-property relationships in this broad class of compounds. To date, the most significant scientific problem in the directed chemical design of such compounds is the lack of a clear understanding of the relationship between the type of organic cation and the distortion of the inorganic substructure, which makes a decisive contribution to the value of their optoelectronic properties. On the way to solving such a complex problem, it is necessary to solve a number of other scientific problems that this project is aimed at solving. The scientific novelty and significance of research in the proposed project is associated with the development of a classification model, new for this class of semiconductor materials, which will become a tool for analyzing experimental data and creating machine learning algorithms for predicting composition-structure-property relationships in this class of objects. The relevance of solving this problem lies in the need to create theoretical foundations for the successful synthesis and study of the physical properties of hybrid halide perovskite-like phases with targeted functional characteristics.

1)Общая единая классификация гибридных галогенидов свинца с производными от структуры перовскита кристаллическими структурами, основанная на применении аппарата теории групп и соотношений группа-подгруппа между кристаллическими структурами различной топологии и размерности неорганической подструктуры (3D, 2D, 1D). Такая классификация позволит записывать все кристаллические структуры исследуемого класса соединений в машино-читаемом виде и строго прописать возможные переходы между ними с точки зрения симметрии. 2) Алгоритм с элементами машинного обучения, который предсказывает размерность неорганической подструктуры в зависимости от теоретической дифрактограммы соединения с гибридной перовскитоподобной структурой, построенный на основе разработанной классификационной схемы исследуемых соединений. 3) Алгоритм, генерирующий начальную модель неорганической подструктуры гибридных галогенплюмбатов по данным порошковой дифракции для последующего уточнения структурной модели.

Руководителем предполагаемого проекта проведены пионерские исследования в области предсказания оптоэлектронных свойств и выявления взаимосвязей состав-структура-свойства в гибридных галогенидных перовскитоподобных соединениях. Для обеспечения возможности рационального предсказательного поиска новых слоистых галогеноплюмбатов R2A(n-1)M(n)X(3n+1) с наиболее перспективными для применения в фотовольтаике и оптоэлектронике свойствами была создана первая в мире открытая и пополняемая база данных известных кристаллических структур низкоразмерных гибридных перовскитоподобных фаз (LHHP) и родственных им соединений (Marchenko et al. 2020). На сегодняшний день данная база включает более 800 уникальных соединений, включая информацию о кристаллической структуре, а также о функциональных свойствах, и является наиболее полной для данного класса соединений (http://pdb.nmse-lab.ru/). Для собранного массива структур был проведён кристаллохимический анализ, а также применены эффективные методы численного моделирования свойств данных соединений на основе методов машинного обучения, в результате чего был выявлен ряд новых корреляций состав-структура-свойство (Marchenko et al. 2021). Кроме слоистых галогеноплюмбатов методы компьютерного моделирования были применены к двум другим родственным классам соединений – гексагональным политипам APbI3 и одномерным (1D) гибридным, которые также перспективны для применения в качестве модификаторов интерфейсов или барьерных слоёв (Marchenko et al. 2022)(Marchenko et al. 2022). В качестве продолжения исследования была введена новая классификация для 1D гибридных структур, основанная на топологии химических графов цепочек из октаэдров PbI6 (Marchenko et al. 2022). Проведена оценка влияния различных структурных искажений на ширину запрещенной зоны в этих соединениях. Выявлено, что искажения длин связей и углов в цепочках вносят решающий вклад в изменение Eg.