Оптический нанохолодильник
Группа ученых Университета ИТМО предложила новый метод быстрого охлаждения поверхности с помощью наночастиц перовскита и света. Этот принцип в будущем может быть использован для охлаждения нанолазеров в оптических чипах, увеличения срока службы солнечных батарей, сообщает пресс-служба вуза. Статья опубликована в журнале Nanoscale.
Сегодня исследователи и инженеры уделяют все больше 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», — рассказал 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, 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.
В результате исследований ученые предложили создать наночастицы на основе перовскита, которые охлаждались бы под действием инфракрасного излучения. На основе теоретических расчетов удалось показать, что предложенные 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.
«У нас уже 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 Сергей Макаров.
Создание концепции «нанохолодильника» продолжает работы лаборатории, начатые совместно с третьим соавтором работы — Георгием Зографом, аспирантом ИТМО. Они касаются создания «нанопечки» — частиц, которые нагреваются от воздействия света, и «нанотермометра», позволяющего напрямую измерять температуру в наномасштабе. Таким образом, как шутят ученые, они близки к созданию своеобразной нанокухни, 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 нанолазеры. 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.