Специалисты из Санкт-Петербургского государственного университета разработали инновационный способ отвода тепла от электронных компонентов с помощью света. Эта методика позволяет отказаться от применения крупногабаритных охлаждающих устройств, таких как вентиляторы и радиаторы.
Ирина Петрова
Инженер‑исследователь кафедры фотоники СПбГУ Роман Назаров. Источник фото: пресс-служба СПбГУ
Что стало основой технологии
В основе технологии лежит использование антистоксовой фотолюминесценции. При этом явлении материал испускает фотон с более высокой энергией, чем тот, который был поглощен. Недостающую энергию вещество забирает из тепловых колебаний своей кристаллической решетки, что приводит к понижению температуры.
Ученые создали структуру, напоминающую сэндвич. Центральный слой представляет собой ультратонкую пленку арсенида галлия толщиной всего 14 нанометров, которая помещена между слоями из галлия, мышьяка и алюминия. Такая конфигурация формирует так называемую квантовую яму, ограничивающую движение электронов и дырок.
Наноразмерное ограничение движения этих квазичастиц меняет их энергетические состояния и позволяет получить отчетливые экситонные резонансы. Экситон представляет собой связанную пару электрона и дырки, играющую ключевую роль во взаимодействии материала со светом. Особое значение имеют два типа экситонов с тяжелой и легкой дыркой, обладающие разными энергиями.
Проведенные эксперименты
Эксперименты проводились при сверхнизких температурах, около минус 269 градусов Цельсия. Ученые облучали структуру лазером, который возбуждал только экситоны с тяжелой дыркой. В ответ регистрировалось свечение экситонов с легкими дырками, требующее больше энергии. Наблюдения показали, что для восполнения энергетического дефицита материал использует тепло собственных атомных колебаний, охлаждаясь.
Дальнейшее развитие технологии связано с поиском материалов, работающих при комнатных температурах. Пока эксперименты проводились при сверхнизких температурах, но теоретические расчеты показывают принципиальную возможность достижения эффекта охлаждения и в нормальных условиях. Ученые уже изучают другие полупроводниковые структуры и наночастицы, которые могут демонстрировать антистоксову фотолюминесценцию при температурах, близких к эксплуатационным параметрам современной электроники.
Важным преимуществом метода является отсутствие движущихся частей. Традиционные кулеры создают вибрации, которые могут нарушать работу высокоточных оптических систем и квантовых сенсоров. Фотолюминесцентное охлаждение работает бесшумно и без механического износа, что критически важно для оборудования, требующего стабильной работы в течение многих лет. Это особенно ценно для космических аппаратов, где поломка вентилятора может привести к выходу из строя целых систем.
Значение инновации
Перегрев остается одной из главных проблем современной электроники, лазеров и оптических датчиков. Традиционные методы охлаждения, включая вентиляторы и кулеры, занимают много места и создают вибрации, неприемлемые для высокоточных оптических систем. Новый подход позволяет решить эти проблемы.
Исследование физиков СПбГУ поддержано грантом Российского научного фонда и опубликовано в журнале Physical Review B. Ученые отмечают, что такой подход позволит избежать установки громоздких охлаждающих систем для процессоров, лазерных диодов и квантовых сенсоров.
Разработанная технология открывает принципиально новые перспективы для миниатюризации электронных устройств. В современных компьютерах и смартфонах системы охлаждения занимают до 30–40 процентов внутреннего объема корпуса.
Замена громоздких вентиляторов и радиаторов на тонкопленочные структуры, способные излучать тепло в виде света, позволит создавать более компактные и легкие гаджеты. Особенно это актуально для носимой электроники, имплантируемых медицинских устройств и портативного оборудования, где каждый грамм и миллиметр имеют значение.
Перспектива и внедрение
Хотя работа носит фундаментальный характер и выполнена при низких температурах, полученные результаты закладывают физическую основу для будущих технологий. В перспективе понимание этих механизмов может быть использовано при создании компактных лазеров, фотонных чипов, чувствительных оптических датчиков и других устройств, где критически важны эффективный отвод тепла и низкое энергопотребление.
Практическое внедрение технологии потребует решения нескольких инженерных задач. Во-первых, необходимо создать эффективные источники света для возбуждения экситонов, которые сами не будут перегреваться. Во-вторых, требуется разработать методы интеграции нанопленок в существующие чипы и микросхемы без потери производительности. Однако уже сейчас ясно, что полученные результаты закладывают фундамент для целого класса устройств нового поколения.
В перспективе такая система охлаждения может быть совмещена с фотонными вычислениями, где информация передается не электронами, а фотонами. В этом случае свет одновременно будет выполнять две функции: переносить данные и отводить тепло. Это приведет к созданию энергоэффективных процессоров, работающих практически без нагрева, что кардинально изменит облик вычислительной техники и позволит реализовать проекты, которые сегодня кажутся фантастикой.