Исследование оптического охлаждения в полупроводниковых квантовых точках

В недавнем исследовании ученые из Университета Чиба (Япония) изучили перспективный путь к твердотельному оптическому охлаждению с использованием перовскитных квантовых точек. Сосредоточенное на антистоксовой фотолюминесценции, процессе, в котором материалы испускают фотоны с более высокой энергией, чем поглощают, это исследование может произвести революцию в существующей технологии охлаждения. Их выводы подчеркивают как потенциал, так и ограничения этого нового подхода к охлаждению с захватывающими перспективами в области энергосберегающих технологий.

Поскольку тепло изнашивает материалы и ухудшает производительность современных технологий, системы охлаждения играют жизненно важную роль в бесперебойной работе. Однако охлаждение, как правило, является неудобным и энергоемким процессом.

Поэтому ученые с нетерпением ждут эффективной системы охлаждения. Твердотельное оптическое охлаждение является эффективным примером, использующим явление антистоксовой (АС) эмиссии.

Обычно, когда материал поглощает входящий свет, его электроны переходят в «возбужденное» состояние. Когда эти электроны возвращаются в свое нормальное состояние, часть энергии высвобождается в виде света, а остальная часть выделяется в виде тепла.

Однако в материалах, которые подвергаются АС-излучению, электроны взаимодействуют с колебаниями кристаллической решетки, так что излучаемый свет имеет более высокую энергию, чем падающий свет. Исследователи полагают, что когда АС-излучение составляет около 100%, материал теоретически охлаждается, а не нагревается. Однако были проблемы с достижением 100% эффективности.

В попытках достичь оптического охлаждения в полупроводниках группа исследователей под руководством профессора Ясухиро Ямады столкнулась с квантовыми точками. Хотя квантовые точки надежны для высокой эффективности излучения, они, как правило, нестабильны и легко разрушаются под воздействием света и воздуха.

Таким образом, научная группа предложила стабильную структуру в особой компоновке перовскитных квантовых точек и точек в кристаллах.

«Попытки добиться оптического охлаждения в полупроводниках столкнулись с рядом трудностей, в первую очередь из-за проблем с достижением почти 100% эффективности излучения, а настоящее охлаждение оказалось труднодостижимым» , — говорит Ясухиро Ямада.

«Хотя квантовые точки многообещающи из-за своей высокой эффективности излучения, они, как известно, нестабильны, а воздействие воздуха и непрерывное освещение ухудшают их эффективность излучения. Таким образом, мы сосредоточились на стабильной структуре, известной как «точки в кристаллах», которая может преодолеть эти ограничения».

Однако использование квантовых точек в полупроводниках до сих пор остается проблемой. Облучение квантовых точек полупроводников высокой интенсивности светом часто приводит к нагреву вместо охлаждения.

В исследовании ученые использовали спектроскопию с временным разрешением, чтобы изучить условия, в которых энергия выделяется в виде тепла, а не света. Эти эксперименты показали, что нагревание было неизбежным даже при умеренной интенсивности света. Между тем, при низкой интенсивности света охлаждение становилось неэффективным.

«Предыдущие отчеты об оптическом охлаждении в полупроводниках были недостаточно надежными, в первую очередь из-за недостатков в оценке температуры. Однако наше исследование не только установило надежный метод, но и определило потенциал и ограничения оптического охлаждения с помощью спектроскопии с временным разрешением, что является значительным достижением в этой области», — говорит Ясухиро Ямада.

Авторы утверждают, что работа проложила путь для будущих исследований, чтобы сосредоточиться на улучшении охлаждающих характеристик схем «точки в кристалле».

Статья об исследовании была опубликована в Nano Letters.