Новини фізики 8 березня 2012 р
| Пошук сайтом: |
| Персональний вхід |
Світлодіод перетворює тепло на світло
Світловипромінюючий діод (LED), який випромінює більше світлової енергії, ніж споживає електричної енергії, був відкритий дослідниками в США. Пристрій, для якого звичайний коефіцієнт корисної дії понад 200% - поводиться як свого роду оптичний тепловий насос, який перетворює коливання решітки на інфрачервоні фотони, охолоджуючи свої околиці в цьому процесі. Можливість такого пристрою була вперше передбачена у 1957 році, але практичні версії не вдавалося створити досі. Потенційні застосування цього явища включають енергоефективне освітлення та кріогенне охолодження.
Енергія фотонів, що випускаються світлодіодом визначається шириною забороненої зони напівпровідника, що використовується - енергія, необхідна, для того щоб створити електрон-дірочну пару. Коли електрон та дірка рекомбінують у радіаційному процесі, фотон забирає надмірну енергію. Напруга на світлодіоді створює пари електрон-дірка, але його значення не впливає на енергію фотона, оскільки ширина забороненої зони напівпровідника є характерною для кожного матеріалу.
Тим не менш, окремі фотони можуть мати енергію, відмінну від енергії забороненої зони. Переважна більшість електронно-діркових рекомбінацій дійсно призводять до виділення тепла, яке поглинається напівпровідником у вигляді квантованих коливань ґрат званих фононами. Ці коливання створюють термостат, який може збільшити енергію фотонів, що виникають при випромінювальній рекомбінації. 1957 року Ян Тауца (Jan Tauc) з інституту технічної фізики в Празі зауважив, що такий механізм забезпечує відведення тепла.випромінюванням від ґрат напівпровідника, і немає ніякого бар'єру в принципі світлодіоду мати ефективність більше 100%, причому в цьому випадку світлодіод насправді охолоджував би свої околиці.
Підпорядковується другому закону
На перший погляд, це перетворення марного тепла на корисні фотони може виглядати як порушення фундаментальних законів термодинаміки, але провідний дослідник Партхібан Сантанам (Parthiban Santhanam) з Массачусетського технологічного інституту пояснює, що процес повністю узгоджується з другим законом термодинаміки. «Найсуперечливіший аспект цього результату в тому, що ми зазвичай не думаємо про світло як про форму тепла. Зазвичай ми ігноруємо ентропію і думаємо про світло як роботу», пояснює він. «Якщо фотони не мають ентропії (тобто якщо вони є однією з форм роботи, а не теплоти), то це порушуватиме другий закон. Натомість, ентропія з'являється у вихідних фотонах, тож другий закон виконується».
Незважаючи на фізичну обґрунтованість, за останні п'ять років ніхто не зумів продемонструвати світлодіод, який насправді охолоджує свої околиці. Деякі дослідники намагалися збільшити кількість вироблених фотонів, збільшуючи напругу зміщення через світлодіод, але це також збільшує тепло, що виробляється в безвипромінювальних рекомбінаціях.
А ось, Сантанам та його колеги зробили прямо протилежне і зменшили напругу зміщення, зробивши його лише 70 мкВ. Крім того, вони нагрівали світлодіод до 135°C, щоб забезпечити вищу температуру решітки. У цьому режимі менше 0,1% електронів, що проходять через світлодіод, виробляли фотони. Проте, коли дослідники виміряли дрібну потужність інфрачервоного випромінювання світлодіода, вони отримали, що 70 пВт потужності світлодіодвипромінював, у той час як тільки 30 пВт їм було спожито, тобто ефективність більш ніж 200%. Це тому, коли напруга наближається до нуля те, як світловий потік, і потужність втрат також прагнуть нулю. Однак, потужність, що розсіюється, пропорційна квадрату струму, а світловий потік пропорційний струму - подвоєння напруги зміщення, тому подвоює ефективність.
Одне з можливих застосувань ефекту – холодильний пристрій, який відводить тепло у вигляді світла. Як експерт у цій галузі, Юкка Тулккі (Jukka Tulkki) з Університету Аалто у Фінляндії, сказав для physicsworld.com: «Я думаю, що це історично важливе досягнення. що, зрештою, може призвести до більш корисних і технічно значущих додатків». Однак він попереджає, що потужність охолодження даного пристрою вкрай низька і недостатня для будь-якого практичного застосування.
Сантанам тим часом вважає, що принцип може знайти застосування не тільки для охолодження. "Моя особиста думка така, що більш ймовірна користь від цієї якості джерела світла", говорить він. «Холодильники переважно корисні, коли вони великої потужності, а ось джерела світла використовується всюди. Зокрема, джерела світла для спектроскопії та зв'язку не обов'язково мають бути дуже яскравими. Вони просто повинні бути яскравими, щоби досить чітко відрізнятися від деяких фонових шумів».