Ученые Санкт‑Петербургского государственного университета предложили охлаждать полупроводники— материалы, широко используемые вэлектронике,— спомощью особого типа люминесценции, прикотором вещество тратит тепло колебаний собственных атомов насвечение. Этотподход позволит избежать установки габаритных охлаждающих систем дляпроцессоров, лазерных диодов иквантовых сенсоров.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Physical ReviewB.
Нагрев— одна изключевых проблем современной электроники, лазеров, чипов иоптических датчиков, поскольку онограничивает эффективность, срок службы иэнергопотребление устройств. Традиционные кулеры ивентиляторы, охлаждающие приборы, нетолько занимают довольно большое пространство, ноисоздают вибрации, что делает ихнепригодными ввысокоточных оптических системах. Поэтому ученые ищут новые методы охлаждения материалов.
Один изперспективных подходов основан наэффекте антистоксовой фотолюминесценции— явлении, прикотором испускаемый фотон (частица света) обладает большей частотой, чем фотон возбуждающего излучения. Разница компенсируется засчет колебаний кристаллической решетки. Приопределенных условиях этотпроцесс позволяет отводить изматериала тепло итемсамым охлаждать его. Однакодляцеленаправленного проектирования наноструктур, способных ктакому охлаждению, важно понимать, между какими именно состояниями происходит переход икакую роль внем играют колебания кристаллической решетки
Ранее ученые СПбГУ придумали, как предотвратить короткое замыкание внутри электронных устройств. Предложенный ими полимерный слой помогает не допустить тепловой разгон литий‑ионных аккумуляторов.
Исследователи Санкт‑Петербургского университета синтезировали образец‑«сэндвич», состоящий изтрех слоев. Центральное место внем занимает пленка арсенида галлия (соединения галлия имышьяка) шириной всего 14нанометров— примерно в5000раз меньше толщины волоса. Сверху иснизу находятся слои изгаллия, мышьяка иалюминия.
Такую структуру можно рассматривать какквантовую яму: дляэлектронов (отрицательно заряженных квазичастиц) идырок (положительно заряженных квазичастиц) центральный слой оказывается своеобразной «ловушкой», вкоторой ихдвижение водном направлении ограничено нанометровой толщиной материала.
Нанометровое ограничение движения электронов идырок изменяет ихэнергетические состояния ипозволяет сформировать хорошо различимые экситонные резонансы. Экситон— этосвязанное состояние электрона идырки, которое играет ключевую роль вовзаимодействии материала сосветом. Внашей структуре особенно важны два типа экситонов— стяжелой илегкой дыркой. Из‑за различий всвойствах ихэкситонные состояния имеют разные энергии, что можно эффективно использовать вработе.
Инженер‑исследователь кафедры фотоники СПбГУРоман Назаров.
Присверхнизких температурах— порядка −269°C— ученые воздействовали наматериал лазерным лучом, который возбудил только экситоны стяжелой дыркой. Приэтом исследователи зарегистрировали ответное свечение экситонов слегкими дырками, которые требуют дляпоявления больше энергии. Наблюдения показали: чтобы получить недостающую энергию дляизлучения, материал тратит тепло колебаний собственных атомов, темсамым охлаждаясь.
Образно говоря, структура создает дляэкситона несколько близко расположенных «ступенек» энергии. Возбуждающий свет помещает систему нанижнюю ступеньку, атепловые колебания кристаллической решетки помогают ейподняться наболее высокую. После этого система испускает более энергичный фотон, который уносит полученную откристаллической решетки энергию.
Инженер‑исследователь кафедры фотоники СПбГУРоман Назаров.
Авторы подчеркивают: хотя работа носит фундаментальный характер ивыполнена принизких температурах, полученные результаты закладывают физическую основу длябудущих технологий, вкоторых избыток тепла можно будет отводить спомощью света, безиспользования громоздких охлаждающих систем. Вперспективе понимание подобных механизмов может оказаться востребованным присоздании компактных лазеров, фотонных чипов, чувствительных оптических датчиков идругих устройств, длякоторых критически важны эффективный отвод тепла инизкое энергопотребление.
Источник
