Ученые Санкт-Петербургского государственного университета 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 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 испускаемый фотон (частица света) обладает большей частотой, чем фотон возбуждающего излучения. Разница компенсируется за счет колебаний кристаллической решетки. При определенных условиях этот процесс позволяет отводить из материала тепло и тем самым охлаждать его. Однако для целенаправленного проектирования наноструктур, способных к такому охлаждению, важно понимать, между какими именно состояниями происходит переход и какую роль в нем играют колебания кристаллической решетки.
Исследователи Санкт-Петербургского университета синтезировали образец-«сэндвич», состоящий из трех слоев. Центральное место в нем занимает пленка арсенида галлия (соединения галлия и мышьяка) шириной всего 14 нанометров — примерно в 5000 раз меньше толщины волоса. Сверху и снизу находятся 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.
Читать материал подробнее