Ученые предложили охлаждать полупроводники — материалы, широко используемые в электронике, — с помощью особого типа люминесценции, при котором вещество тратит тепло колебаний собственных атомов на свечение. Этот подход позволит избежать установки габаритных охлаждающих систем для процессоров, лазерных диодов и квантовых сенсоров. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review B.
Нагрев — одна из ключевых проблем современной электроники, лазеров, чипов и оптических датчиков, поскольку он ограничивает эффективность, срок службы и энергопотребление устройств. Традиционные кулеры и вентиляторы, охлаждающие приборы, не только занимают довольно большое пространство, но и создают вибрации, что делает их непригодными в высокоточных оптических системах. Поэтому ученые ищут новые методы охлаждения материалов.
Один из перспективных подходов основан на эффекте антистоксовой фотолюминесценции — явлении, при котором энергия испускаемого фотона (частицы света) превышает энергию фотона возбуждающего света. Недостающую энергию система получает от колебаний кристаллической решетки. При определенных условиях этот процесс позволяет уносить из материала часть энергии тепловых колебаний, охлаждая его. Однако для целенаправленного проектирования наноструктур, способных к такому охлаждению, важно понимать, между какими именно состояниями происходит перенос энергии и какую роль в нем играют колебания кристаллической решетки.
Исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) подробно описали этот эффект на примере наноструктуры-«сэндвича».
Авторы синтезировали образец-«сэндвич», состоящий из трех слоев. Центральное место занимала пленка арсенида галлия (соединения галлия и мышьяка) шириной всего 14 нанометров — примерно в 5000 раз меньше толщины волоса. Сверху и снизу ее покрывали слои из галлия, мышьяка и алюминия.
Такую структуру можно рассматривать как квантовую яму: для электронов (отрицательно заряженных квазичастиц) и дырок (положительно заряженных квазичастиц) центральный слой оказывается своеобразной «ловушкой», в которой их движение в одном направлении ограничено нанометровой толщиной материала.
«Нанометровое ограничение движения электронов и дырок изменяет их энергетические состояния и позволяет сформировать хорошо различимые экситонные резонансы. Экситон — это связанное состояние электрона и дырки, которое играет ключевую роль во взаимодействии материала со светом. В нашей структуре особенно важны два типа экситонов — с тяжелой и легкой дыркой. Из-за различий в свойствах этих дырок соответствующие экситонные состояния имеют разные энергии», — поясняет участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Роман Назаров, инженер-исследователь кафедры фотоники физического факультета СПбГУ.
При сверхнизких температурах — порядка -269°C — ученые подействовали на материал лазерным лучом, который возбудил только экситоны с тяжелой дыркой. При этом авторы зарегистрировали ответное свечение экситонов с легкими дырками, которые требуют для появления больше энергии. Наблюдения показали: чтобы получить недостающую энергию для излучения, материал тратит тепло колебаний собственных атомов, тем самым охлаждаясь.
«Образно говоря, структура создает для экситона несколько близко расположенных "ступенек" энергии. Возбуждающий свет помещает систему на нижнюю ступеньку, а тепловые колебания кристаллической решетки помогают ей подняться на более высокую. После этого система испускает более энергичный фотон, который уносит полученную от кристаллической решетки энергию», — рассказывает Роман Назаров.
Авторы подчеркивают: хотя работа носит фундаментальный характер и выполнена при низких температурах, полученные результаты закладывают физическую основу для будущих технологий, в которых избыток тепла можно будет отводить с помощью света, без использования громоздких охлаждающих систем. В перспективе понимание подобных механизмов может оказаться востребованным при создании компактных лазеров, фотонных чипов, чувствительных оптических датчиков и других устройств, для которых критически важны эффективный отвод тепла и низкое энергопотребление.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
