https://www.eurekalert.org/news-releases/1065953
Naukowcy zbadali fascynujące zjawisko chłodzenia w materiałach typu „kropki w krysztale” na bazie perowskitu halogenkowego, odkrywając zarówno obiecujące, jak i stojące przed nim wyzwania.
W przełomowym badaniu naukowcy z Uniwersytetu Chiba zbadali potencjał chłodzenia optycznego ciała stałego za pomocą kropek kwantowych perowskitu. Najważniejszym elementem ich badań była fotoluminescencja antystokesowska – rzadki proces, w którym materiały emitują fotony o energii wyższej niż te zaabsorbowane. To innowacyjne podejście może przekształcić technologię chłodzenia, otwierając drogę do bardziej wydajnych i energooszczędnych rozwiązań. Ich praca nie tylko podkreśla ogromne możliwości tej techniki, ale także ujawnia kluczowe ograniczenia, które torują drogę do dalszego postępu w tej dziedzinie.
Innowacje w półprzewodnikowym chłodzeniu optycznym
Układy chłodzenia odgrywają kluczową rolę w nowoczesnej technologii, ponieważ nadmiar ciepła może uszkodzić materiały i zmniejszyć wydajność. Tradycyjne metody chłodzenia są jednak często niewygodne i zużywają znaczne ilości energii. Aby rozwiązać ten problem, naukowcy badają innowacyjne i skuteczne sposoby obniżania temperatur.
Jednym z obiecujących podejść jest chłodzenie optyczne w stanie stałym, które opiera się na unikalnym zjawisku znanym jako emisja anty-Stokesa (AS). Kiedy materiały absorbują fotony ze światła, ich elektrony wchodzą w stan „wzbudzenia”. Gdy elektrony powracają do swojego pierwotnego stanu, uwalniana przez nie energia jest zazwyczaj dzielona pomiędzy światło i ciepło. W materiałach wykazujących emisję AS elektrony oddziałują z drganiami sieci krystalicznej, zwanymi „fononami”, w sposób powodujący emisję fotonów o energii wyższej niż początkowo zaabsorbowana. Jeśli efektywność emisji AS zbliża się do 100%, materiały te teoretycznie mogą ostygnąć pod wpływem światła, zamiast się nagrzewać.
Przełomowe badania nad kropkami kwantowymi perowskitu
W niedawnym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nanoliteryzespół naukowców pod kierownictwem profesora Yasuhiro Yamady z Graduate School of Science na Uniwersytecie Chiba w Japonii, zagłębił się w to zjawisko w obiecującej strukturze materiału na bazie perowskitu. Zespół ten, w skład którego wchodzili Takeru Oki z Graduate School of Science and Engineering na Uniwersytecie Chiba, dr Kazunobu Kojima z Graduate School of Engineering na Uniwersytecie w Osace i dr Yoshihiko Kanemitsu z Instytutu Badań Chemicznych Uniwersytetu w Kioto, starał się rzuciły światło na zjawiska chłodzenia optycznego w specjalnym układzie kropek kwantowych perowskitu (niezwykle małych CsPbBr3 kryształy) osadzone w Cs4PbBr6 matryca krystaliczna gospodarza (oznaczona jako CsPbBr3/Cs4PbBr6 kryształ).
„Wysiłki mające na celu osiągnięcie chłodzenia optycznego w półprzewodniki napotkały kilka trudności, głównie ze względu na wyzwania związane z osiągnięciem prawie 100% efektywności emisji, a prawdziwe chłodzenie było nieuchwytne. Chociaż kropki kwantowe są obiecujące ze względu na wysoką wydajność emisji, są one notorycznie niestabilne, a wystawienie na działanie powietrza i ciągłe oświetlenie pogarszają ich skuteczność emisyjną. Dlatego skupiliśmy się na stabilnej strukturze zwanej „kropkami w kryształach”, która może pokonać te ograniczenia” – wyjaśnia Yamada.
Wyzwania i rozwiązania w chłodzeniu kropkami kwantowymi
Stosowanie półprzewodnikowych kropek kwantowych stanowi nierozwiązany problem. Kiedy światło napromieniowuje półprzewodnik, generuje ekscytony – pary elektronów i dodatnio naładowane „dziury”. Kiedy ekscytony łączą się ponownie, zazwyczaj emitują światło. Jednakże przy dużych gęstościach ekscytonów proces zwany rekombinacją Augera staje się bardziej widoczny, w wyniku którego energia jest uwalniana w postaci ciepła, a nie światła. W półprzewodnikowych kropkach kwantowych napromieniowanie światłem o dużej intensywności często prowadzi do nagrzania zamiast ochłodzenia w wyniku tego procesu.
Dlatego badacze wykorzystali spektroskopię czasowo-rozdzielczą do określenia warunków, w których rekombinacja Augera zachodziła częściej. Eksperymenty te wykazały, że nagrzewania nie da się uniknąć nawet przy umiarkowanym natężeniu światła, co sugeruje, że do zaobserwowania prawdziwego chłodzenia optycznego wymagane były eksperymenty w świetle o niskim natężeniu. Niestety przy niskich intensywnościach chłodzenie optyczne staje się mniej skuteczne. W najlepszych warunkach ich próbka wykazała teoretyczną granicę chłodzenia wynoszącą około 10 K w stosunku do temperatury pokojowej.
Pomiar prawdziwego chłodzenia optycznego
Kolejnym centralnym punktem badania było dokonanie bardziej wiarygodnych pomiarów temperatury niż w przypadku wcześniej zgłaszanych wysiłków. W tym celu opracowano metodę szacowania temperatury próbek o dużej wydajności emisji poprzez analizę kształtu ich widma emisyjnego. W wielu próbkach zaobserwowano prawdziwe chłodzenie optyczne, a naukowcy zauważyli, że przejście od chłodzenia do ogrzewania następowało w miarę wzrostu natężenia światła wzbudzającego.
„Poprzednie doniesienia na temat chłodzenia optycznego w półprzewodnikach nie były wiarygodne, głównie z powodu błędów w szacowaniu temperatury. Jednak w naszym badaniu nie tylko ustalono niezawodną metodę, ale także zdefiniowano potencjał i ograniczenia chłodzenia optycznego za pomocą spektroskopii czasowo-rozdzielczej, co stanowi znaczące osiągnięcie w tej dziedzinie” – zauważa Yamada.
Wnioski i przyszłe kierunki
Badanie to toruje drogę dla przyszłych badań skupionych na minimalizowaniu rekombinacji Augera w celu poprawy wydajności chłodzenia układów kropek w krysztale. Jeśli chłodzenie optyczne ulegnie znacznej poprawie i osiągnie szerokie zastosowanie praktyczne, może stać się podstawą kilku technologii oszczędzania energii, przyczyniając się do osiągnięcia globalnych celów w zakresie zrównoważonego rozwoju.
Odniesienie: „Optical Cooling of Dot-in-Crystal Halide Perovskites: Challenges of Nonlinear Exciton Recombination” autorstwa Yasuhiro Yamada, Takeru Oki, Takeshi Morita, Takumi Yamada, Mitsuki Fukuda, Shuhei Ichikawa, Kazunobu Kojima i Yoshihiko Kanemitsu, 29 sierpnia 2024 r., Nanolitery.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02885
Dr Yasuhiro Yamada, czołowy badacz w Graduate School of Science na Uniwersytecie Chiba w Japonii, wniósł znaczący wkład w dziedzinie inżynierii materiałowej, fizyki półprzewodników i spektroskopii laserowej. Jego prace skupiają się na podstawowych właściwościach optycznych i dynamice rekombinacji nośników materiałów perowskitowych. Dzięki swoim badaniom profesor Yamada pogłębił wiedzę społeczności naukowej na temat dynamiki ekscytonów, oddziaływań elektron-fonon oraz funkcjonalności optycznych półprzewodników perowskitowych. Jego praca utorowała drogę postępowi w optoelektronice, znajdując praktyczne zastosowania w technologiach energetycznych i chłodniczych.
Te prace badawcze były wspierane przez Fundację Canon, Międzynarodowy Program Badań Współpracy Instytutu Badań Chemicznych Uniwersytetu w Kioto (grant nr 2023-21), JST-CREST (grant nr JPMJCR21B4) i KAKENHI (grant nr JP19H05465).
