Koelen met licht: onderzoek naar optische koeling in halfgeleiderkwantumdots

Koelsystemen zijn een integraal onderdeel van veel moderne technologieën, omdat hitte de neiging heeft materialen te verslijten en de prestaties op verschillende manieren te verminderen. In veel gevallen kan koeling echter een lastig en energie-intensief proces zijn. Daarom zijn wetenschappers op zoek gegaan naar innovatieve en efficiënte methoden om stoffen af ​​te koelen.

Optische koeling in vaste toestand is een prominent voorbeeld dat gebruik maakt van een zeer uniek fenomeen dat anti-Stokes (AS)-emissie wordt genoemd. Wanneer materialen fotonen uit binnenkomend licht absorberen, gaan hun elektronen gewoonlijk over in een “aangeslagen” toestand.

Onder ideale omstandigheden, wanneer elektronen terugkeren naar hun oorspronkelijke staat, komt een deel van deze overtollige energie vrij als licht, terwijl de rest wordt omgezet in warmte.

In materialen die AS-emissie ondergaan, interageren elektronen met kristalroostertrillingen die “fononen” worden genoemd, op een zodanige manier dat de uitgezonden fotonen een hogere energie hebben dan die in het invallende licht. Als de AS-emissie-efficiëntie bijna 100% bedraagt, zouden deze materialen theoretisch kunnen afkoelen in plaats van opwarmen bij blootstelling aan licht.

In een studie gepubliceerd op 29 augustus 2024, in Nano-brievenheeft een team van onderzoekers onder leiding van professor Yasuhiro Yamada van de Graduate School of Science, Chiba University, Japan, diep in dit fenomeen gedoken in een veelbelovende, op perovskiet gebaseerde materiaalstructuur.

Dit team, bestaande uit Takeru Oki van de Graduate School of Science and Engineering, Chiba University, Dr. Kazunobu Kojima van de Graduate School of Engineering, Osaka University, en Dr. Yoshihiko Kanemitsu van het Institute for Chemical Research, Kyoto University, probeerde werpen licht op de optische afkoelingsverschijnselen in een speciale opstelling van perovskiet-kwantumdots (extreem kleine CsPbBr₃ kristallen) ingebed in een Cs₄PbBr₆ gastheerkristalmatrix (aangegeven als CsPbBr₃/Cs₄PbBr₆ kristal).

“Pogingen om optische koeling in halfgeleiders te bereiken zijn op verschillende problemen gestuit, voornamelijk als gevolg van uitdagingen bij het bereiken van bijna 100% emissie-efficiëntie, en echte koeling is ongrijpbaar gebleken”, legt Yamada uit.

‘Hoewel kwantumdots veelbelovend zijn vanwege hun hoge emissie-efficiëntie, zijn ze notoir onstabiel, en blootstelling aan lucht en voortdurende verlichting verslechtert hun emissie-efficiëntie. Daarom hebben we ons geconcentreerd op een stabiele structuur die bekend staat als ‘dots-in-crystals’, die deze beperkingen.”

Het gebruik van halfgeleidende kwantumdots vormt een onopgelost probleem. Wanneer licht een halfgeleider bestraalt, genereert het excitonen: elektronenparen en positief geladen ‘gaten’. Wanneer excitonen recombineren, zenden ze doorgaans licht uit.

Bij hoge excitondichtheden wordt echter een proces genaamd Auger-recombinatie prominenter, waarbij energie vrijkomt als warmte in plaats van als licht. In halfgeleider-kwantumdots leidt bestraling met licht van hoge intensiteit vanwege dit proces vaak tot verwarming in plaats van afkoeling.

Daarom gebruikten de onderzoekers tijdsopgeloste spectroscopie om de omstandigheden te bepalen waaronder Auger-recombinatie vaker voorkwam. Deze experimenten toonden aan dat verwarming zelfs bij gematigde lichtintensiteiten onvermijdelijk was, wat impliceert dat experimenten onder licht met lage intensiteit nodig waren om echte optische koeling waar te nemen.

Helaas wordt optische koeling bij lage intensiteiten minder effectief. Onder de beste omstandigheden vertoonde hun monster een theoretische koellimiet van ongeveer 10 K vanaf kamertemperatuur.

Een ander aandachtspunt van het onderzoek was het uitvoeren van betrouwbaardere temperatuurmetingen dan bij eerder gerapporteerde inspanningen. Daartoe ontwikkelden ze een methode om de temperatuur van monsters met een hoge emissie-efficiëntie te schatten door de vorm van hun emissiespectrum te analyseren.

In meerdere monsters werd echte optische koeling waargenomen, en de onderzoekers merkten op dat er een overgang van koeling naar verwarming plaatsvond naarmate de intensiteit van het excitatielicht toenam.

“Eerdere rapporten over optische koeling in halfgeleiders waren niet betrouwbaar, voornamelijk als gevolg van fouten in de temperatuurschatting. Onze studie heeft echter niet alleen een betrouwbare methode opgeleverd, maar ook het potentieel en de beperkingen van optische koeling gedefinieerd door middel van tijdsopgeloste spectroscopie, wat een significante ontwikkeling markeert.” prestatie in het veld”, zei Yamada.

Deze studie maakt de weg vrij voor toekomstig onderzoek gericht op het minimaliseren van Auger-recombinatie om de koelprestaties van dots-in-crystal-arrangementen te verbeteren.

Als de optische koeling aanzienlijk verbetert om een ​​wijdverspreid praktisch gebruik te bereiken, zou dit de basis kunnen worden van verschillende energiebesparende technologieën, die kunnen bijdragen aan de mondiale duurzaamheidsdoelstellingen.