Сегодня исследователи и инженеры все больше уделяют внимания такому оптически активному материалу, как галогенидный перовскит. Некоторые ученые говорят даже о грядущей «перовскитной революции», когда этот материал сможет вытеснить стандартные полупроводники с рынка производства солнечных батарей и лазеров.
«Это синтетический полупроводник нового типа. У него много преимуществ: он дешевле, у него хорошая эффективность для солнечных батарей, уже сейчас она сопоставима с кремнием. Сейчас ведутся работы для того, чтобы применять перовскит для светодиодов и дисплеев», – рассказывает руководитель Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров.
Однако широкое развитие техники на перовскитах тормозится некоторыми недостатками этого материала. В частности, за счет низкой теплопроводности он зачастую подвергается перегреву в процессе эксплуатации в оптоэлектронных устройствах, что приводит к его деградации. Таким образом, ученым необходимо решить задачу охлаждения перовскита. Сотрудники лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО, где уже несколько лет ведутся работы по созданию оптоэлектронных устройств и сверхкомпактных лазеров на основе перовскита, решили использовать для этой задачи свет, который обычно и создает опасный для перовскита нагрев.
Холодный свет
Вопрос о том, возможно ли использовать свет для охлаждения, а не только для нагрева, занимает умы физиков вот уже почти столетие. В 1929 году немецкий ученый Питер Прингсхайм (Peter Pringsheim) предположил, что при определенных условиях (при так называемой апконверсии) свет действительно может снижать температуру вещества, а не повышать ее. Эта идея вызвала широкие споры в научном мире, некоторые теоретики утверждали, что такое предположение нарушает базовые физические законы.
В середине 1940-х годов наш соотечественник Лев Давидович Ландау опубликовал работу по теории фотолюминесценции, ставшую затем классической. В ней он показал, что процесс оптического охлаждения за счет апконверсии возможен. Однако экспериментально возможность использования сходного принципа для твердых объемных тел была показана только в конце XX века».
«И дальше встает вопрос, – рассказывает руководитель лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров. – Традиционные полупроводники и композиты на основе редкоземельных элементов имеют не самую большую эффективность охлаждения. Кроме того, они обычно наносятся на подложки, которые также могут нагреваться в ходе работы устройства, то есть сами материалы, которые должны охлаждать, находятся на сильно греющихся в ходе работы материалах. Перовскит же, являясь превосходным полупроводником, сам по себе хорошо охлаждается и может наноситься на практически любой прозрачный материал – например, стекло, которое плохо поглощает излучение, то есть почти не нагревается».
На пути к «оптическому холодильнику»
В результате практически года работы группа ученых Университета ИТМО предложила создать наночастицы на основе перовскита, которые бы охлаждались под действием инфракрасного света.
«Мы пришли к тому, что надо оптимизировать две вещи – поглощение света за счет создания наночастицы, чтобы поглотить больше фотонов с меньшей энергией, и эффективность люминесценции из этих наночастиц, чтобы меньше энергии тратилось на паразитный нагрев. Таким образом, маневрируя параметрами – размером наночастицы и длиной волны падающего света, мы добились максимального усиления эффективности охлаждения», – пояснил один из соавторов исследования, магистрант Университета ИТМО Павел Тонкаев.
Ученые на основе проведенных теоретических расчетов показали, что предложенные ими наночастицы могут терять под воздействием инфракрасного излучения около ста градусов. Потенциально этот процесс может происходить за доли секунды. Если же взять поверхность, покрытую этими наночастицами, то процесс охлаждения займет от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от внешних условий.
«В настоящий момент у нас есть хорошо отработанная модель для наночастиц на стеклянной подложке. Расчеты максимально приближены к реальным условиям, что подготовило почву для начала реального эксперимента, который уже идет полным ходом», – поясняет Макаров.
«Нано-кухня»
Создание концепции «нано-холодильника» продолжает работы лаборатории, начатые совместно с третьим соавтором работы – Георгием Зографом, аспирантом ИТМО. Они касаются создания так называемой «нано-печки» – частиц, которые нагреваются от воздействия света, и «нано-термометра», позволяющего напрямую измерять температуру на наномасштабе. Таким образом, как шутят ученые, они близки к созданию своеобразной «нано-кухни», позволяющей эффективно управлять температурой веществ с помощью наночастиц и светового излучения.
Если первые эксперименты окажутся успешными, это вплотную приблизит ученых к решению проблемы охлаждения оптоэлектронных устройств и источников оптического излучения на основе перовскитов.
«На основе перовскитов мы в нашей лаборатории делаем микро- и нано-лазеры. Они необходимы для создания оптических чипов, на которых, возможно, будут работать компьютеры будущего. Однако, чтобы сделать устройство с такими чипами компактным, необходимо в том числе решить проблему охлаждения. Применение технологии оптического охлаждения в теории может привести к созданию “самоохлаждающихся” лазеров, возможность реализации которых до сих пор является предметом горячих научных дискуссий», – поясняет Сергей Макаров.
Также перовскиты потенциально позволяют модифицировать наночастицы так, что они будут охлаждаться не под инфракрасным светом, а под действием видимого излучения.
«В теории можно сделать так, что охлаждение идет от видимой части спектра солнечного света. Это можно использовать в концепции умного окна, которое, например, охлаждалось бы летом и нагревалось зимой», – заключает Макаров.
Статья: P. Tonkaev, G. Zograf, S. Makarov, «Optical cooling of lead halide perovskite nanoparticles enhanced by Mie resonances»; Nanoscale, 2019.
