Ученые ИТМО нашли новый способ измерять прочность материалов для гибкой электроники

Перовскиты — полупроводниковые соединения с общей формулой АВХЗ — сейчас исследуются как перспективные материалы для солнечных батарей и гибких дисплеев. Они эффективно поглощают и излучают свет, но остаются довольно хрупкими: при частых изгибах в устройствах на основе перовскитов накапливаются микротрещины, и в итоге приборы могут быстро потерять работоспособность. Чтобы понять, выдержит ли наночастица многократные сгибы и сжатия в реальном объекте, ученым нужно выяснить ее модуль Юнга — эта величина показывает, насколько материал сопротивляется деформации. Чем ниже модуль Юнга, тем материал более гибкий, а значит, лучше подходит, например, для складных устройств.

Обычно механические свойства материалов определяют с помощью инденторов — твердых наконечников измерительных приборов, которые вдавливают в образец. Но даже самые маленькие инденторы слишком крупные по сравнению с отдельной наночастицей, поэтому надавить ими на нанокристалл невозможно. Для измерения упругости одиночных наночастиц нужен другой подход. Ученые ИТМО использовали атомно-силовой микроскоп, который позволяет работать с маленькими (нанометровыми) материалами. Однако его стандартная острая игла может разрушить хрупкий нанокристалл, поэтому ее кончик затупили, превратив в миниатюрный плоский пресс. 

Это позволило сжимать нанокубик равномернее, чем острым зондом. Однако позже выяснилось: из-за неровности поверхности частицы и сохранявшегося небольшого закругления самой иглы давление все равно распределялось неравномерно. В результате расчеты давали погрешность: получалось так, что чем мельче частица, тем она прочнее, хотя жесткость материала не должна зависеть от размера.

Чтобы исключить влияние этих факторов и получить корректные значения модуля Юнга, на следующем этапе работы физики перенесли эксперимент в компьютерную среду. Они построили точную 3D-модель каждой частицы и зонда атомно-силового микроскопа в программе COMSOL Multiphysics, учли наклон зонда в 20 градусов и запустили симуляцию сжатия. Затем они подбирали параметры материала в модели до тех пор, пока виртуальная кривая сжатия частицы в зависимости от положения зонда не совпала с экспериментальной, записанной на реальном микроскопе. Подход позволил отделить погрешности, связанные с геометрией, от реальных механических свойств материала. 

Авторы исследования уже применили разработанный метод, чтобы измерить показатели для двух перовскитных соединений — CsPbBr₃ и CsPbCl₃. Это полупроводниковые материалы на основе цезия, свинца и галогенов — брома или хлора. Они эффективно поглощают и излучают свет, поэтому их активно исследуют для потенциального применения в гибкой электронике. В итоге вне зависимости от размера кристалла для соединения с бромом модуль Юнга составил 16 гигапаскалей, а для соединения с хлором ― 24 гигапаскаля. Это значит, что перовскиты умеренно жесткие и в то же время достаточно податливые, что важно для разработки гибких устройств. В дальнейшем, чтобы полнее оценить поведение материала при многократных сгибах, ученым нужно провести дополнительные испытания — проверить, насколько хорошо материал выдерживает большое число повторяющихся деформаций без разрушения.

«Когда мы сжимаем наночастицу, меняются не только ее механические, но и электронные свойства: электронам требуется меньше энергии, чтобы оторваться от атома и начать передвигаться по кристаллу. Это влияет на электронную структуру материала и его способность излучать свет. Такие изменения важны для практики. Понимание связи между деформацией и свойствами перовскитов позволит проектировать более чувствительные датчики давления и гибкие сенсоры. Кроме того, на основе изменения свечения материала при сжатии в перспективе можно создавать оптические датчики, которые реагируют на значительное давление и сообщают о нем изменением цвета», — пояснил первый автор статьи, инженер Нового физтеха ИТМО Владислав Калиниченко.

Разработанный метод подходит для измерения упругости любых наноматериалов кубической или прямоугольной формы ― например, наночастиц из металлов или полупроводников. В перспективе эти данные могут быть использованы при проектировании сенсоров и элементов памяти — мемристоров, чувствительных к механическим деформациям. Для этого также нужно измерять электрические характеристики материалов, в том числе пьезоэлектрические свойства — то есть способность вырабатывать заряд при сжатии или изгибе.

В ближайшее время ученые планируют расширить метод на комплексные исследования с помощью атомно-силового микроскопа, чтобы вместе с модулем Юнга измерять электрические характеристики материалов. Такой подход даст возможность за один заход на одном приборе получать и механические, и электрические данные, не перенося образец в другое оборудование. Это позволит точнее оценивать, как ведут себя наночастицы в реальных устройствах под нагрузкой. Также подход будут тестировать для изучения мемристоров. Понимание их свойств в перспективе поможет создавать более надежные и энергоэффективные вычислительные устройства, например процессоры, гибкие чипы или устройства хранения данных.

Исследование поддержано грантами Российского научного фонда № 24-79-10131 и № 24-62-00022.

Над исследованием работала команда ученых Нового физтеха ИТМО. Концепцию исследования предложили старший научный сотрудник Александра Фурасова и доцент Прохор Алексеев. Моделирование сжатия в COMSOL делали инженер Владислав Калиниченко и младший научный сотрудник Аболфазл Махмудпур — оба они работают в научной группе Сергея Макарова. Квантово-механические DFT-расчеты провели научный сотрудник Юлия Мельчакова и студент программы бакалавриата «Теоретическая и экспериментальная физика» Александр Цвигун. Синтезом и характеризацией образцов занималась студентка программы «Фотоника и спинтроника» Ксения Гасникова.