Анализ работы наноструктурированных преобразователей электромагнитного излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ РАБОТЫ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Р.С. Ерофеев

НПП "Квант"

Наноструктурирование материалов в том числе и полупроводниковых, введение в них наноструктурных элементов позволяет в более широком диапазоне влиять на их электрофизические и многие другие свойства, чем при обычном легировании [1]. Это становится в настоящее время наиболее эффективным способом увеличения КПД термоэлектрических и фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). КПД обычных ФЭП с р/n переход в существенной мере определяется шириной запрещенной зоны, ДЕ, позволяющей превратить в электрическую энергию лишь определенную часть солнечного излучения, которое активирует электроны на энергетические состояния края зоны проводимости. Электроны, получившие большую энергию, теряют её избыток на рекомбинационное излучение и нагрев кристаллической решетки. Таким образом, максимально возможная величина КПД таких ФЭП определяется отношением ДЕ к Ев - энергии выхода электронов в вакууме. Так, КПД преобразователей на основе монокристаллического кремния не может превышать 20 - 25 %, так как его ДЕ = 1 эв, а Ев около 4,5 - 5 эв. Последовательный набор слоев полупроводникового материала с увеличивающейся величиной ДЕ позволяет расширить диапазон полезного поглощаемого солнечного излучения и приводит к соответствующему увеличению КПД. Примером этому являются создание с помощью нанотехнологий тонкослойных гетероструктур, ГС, КПД которых достигает 35 - 40 %. Они интересны тем, что на границах слоев могут быть созданы двумерные структуры, электроны в которых обла-дают аномально высокими подвижностями, u, достигающими величин 5-1000 м²/Вс [2]_. Нанотехнологии также позволяют создавать в веществах наноструктуры, обладающие люминисцентными свойствами.

Увеличение u носителей на границах слоев ГС структуры обусловлено тем, что они могут двигаться без рассеяния на примесных атомах за счет введения нелегированного слоя (спейсера) толщиной несколько нанометров. Эта особенность таких структур в настоящее время активно изучается и применяется в различного вида устройствах, которые начинают обладать уникальными свойствами и быстродействием.

Аномально высокие подвижности носителей электрического тока имеют место и в других наноструктурах, которые характеризуются увеличением межатомных расстояний, d, на пример в ориентированных дислокациях, микро- и нанопорах. Высокие подвижности до 5 м²/Вс наблюдались в микропорах термокатодов [3]. В них носители практически не испытывали рассеяния на колебаниях решетки вещества матрицы. Повышение температуры, T, термокатодов приводило к одновременному увеличению их удельной электропроводности, д, термо-э.д.с., б. и концентрации носителей электрического тока, n. Такое поведение этих параметров ультрапористого вещества позволяет сделать вывод о возможности существенного увеличения его термоэлектрической эффективности, Z, [1]. Введение подобных наноструктур в материалы ФЭП также должно привести к увеличению их КПД. Этот вывод основывается на том, что поведение д, б, n при повышении T ультрапористого материала термокатодов обусловлено эмиссией электронов в поры. Аналогичная эмиссия с не меньшим успехом может быть обеспечена за счет электромагнитного излучения. При соответствующем наноструктурировании вещества ФЭП его наноструктуры могут преобразовывать это излучение в электрическую энергию параллельно с веществом матрицы ФЭП. КПД преобразования наноструктур будет зависеть от их энергетического электронного спектра. При достижении согласования преобразующих свойств наноструктур и матричного вещества КПД наноструктурированного преобразователя электромагнитного излучения увеличится.

Энергетический спектр наноструктур может существенно отличаться от энергетического спектра вещества матрицы. Это отличие обусловлено тем, что электронные состояния атомов в них перекрываются на больших расстояниях, чем в самом матричном веществе. Связывающие электронные состояния поверхностных атомов наноструктур начинают перекрываться несимметричным образом [4]. Их энергетическое положение относительно вакуума меняется, так как изменяется кратность связи и энергия межатомного взаимодействия. В наноструктурах они уменьшаются и их энергетическое положение приближается к энергетическому положению состояний вакуума. Согласно оценкам приведенным в [5] отщепление связывающих электронных состояний при увеличении межатомного расстояния, d, на 20 % достигает 2 эв. Однако эта оценка проведена без учета перекрытия в пространстве нанопор энергетических состояний соседних поверхностных атомов, а также без учета участия во взаимодействии дополнительных энергетических состояний, которое, на пример в теллуриде германия, уменьшает энергетический зазор до 0,1 эВ [6]. У приповерхностных атомов вещества матрицы имеет место обратное явление. Увеличение кратности связи из-за несимметричного перекрытия электронных связывающих состояний приведет к периодическому уменьшению (увеличению) d и увеличению (уменьшению) ДЕ. Такое поведение d и ДЕ наблюдается экспериментально [7]. Таким образом, оптические свойства наноструктурированного вещества приобретут качественно новые свойства. Спектр полезного поглощаемого излучения увеличится, что при применении соответствующей технологии должно привести к увеличению КПД преобразователей на их основе.

В качестве технологического приема увеличивающего КПД целесообразно применить нанесение на подложку нанополос матричного вещества, разделенных нанозазорами. Конфигурации нанополос и нанозазоров может быть оптимизирована для регулирования величины эмиссии электронов в нанозазоры и увеличения спектра поглощаемого полезного излучения. Оптимизацией регулируемых зазоров можно получить направленный поток эмитированных электронов из-за возникновения разницы в их концентрации. Его величина может быть увеличена за счет контактной разницы потенциалов, например, электродов служащих для снятия электрического напряжения с ФЭП.

Как уже было отмечено, роль наноструктур в веществе преобразователей энергии этим не исчерпывается. Переходы (рекомбинация) возбуждённых электронов за счет коротковолнового излучения неэффективно преобразуемое в электрическую энергию с энергетических состояний наноструктур на энергетические состояния вещества матрицы могут приводить к проявлению стоксовой люминисценции, которая наиболее сильно может проявляться в тонкодисперсных пористых материалах. Время высвечивания определяется количеством возбужденных на энергетические состояния пор и межзёренных границ электронов и временем их жизни, которое зависит от степени дискретности этих энергетических состояний. Такая люминисценция преобразует жесткое коротковолновое излучение в более длинноволновое, которое может быть более эффективно преобразовано в электрическую энергию. Источником такой люминисценции могут служить наноструктуры создаваемые в материалах ФЭП в виде нанопор, границ, дислокаций или даже в веденных специальных частиц люминисцирующего вещества. Такие наноструктуры могут быть введены в материалы служащие для защиты ФЭП от жесткого излучения или космических частиц.

Однако в наноструктурированных материалах может иметь место и антисток-совая люминисценция, т.е. более короковолновое излучение относительно поглоща-емого. Оно становится возможным за счет перехода электронов с энергетических состояний наноструктур на энергетические состояния расположенные выше края зоны проводимости матричного вещества. Эти переходы возможны как за счет внешнего излучения, так и за счет энергии рекомбинируемых электронов из зоны проводимости матричного вещества. Таким образом, рекомбинация возбужденных электронов с высоко расположенных энергетических состояний в валентную зону матричного вещества приведет к возможности возникновения более коротковолнового электромагнитного излучению, чем поглощаемое. Также как и в случае использования стоксовой люминисценции, антистоксовая люминисценция может послужить повышению КПД ФЭП. Её применение может повысить эффективность поглощения неиспользуемого длинноволнового излучения как падающего, так и прошедшего сквозь материалы ФЭП.

Следует отметить, что в упорядоченных нанопористых веществах с направленными в одном и том же направлении порами достаточной длины и диаметра, в которых возможно образование энергетических зон, может иметь место лазерное излучение. Если накачку электронов в эти зоны проводить некогерентным излучением, то и лазерное излучение может стать тоже некогерентным, или полосчатым, так как активация электронов может происходить из различных валентных зон матричного вещества с последующей их рекомбинацией в эти зоны.

наноструктурированный преобразователь электромагнитное излучение

Литература

1. Ерофеев Р.С. Роль нанотехнологии в создании более эффективных преобра-зователей энергии. Нанотехника, № 3, 2005, с. 96-100.

2. Кубальчинский В.А. Двумерные, одномерные, нульмерные структуры и сверх-решетки. Физфак МГУ, 1998.

3. Мойжес Б.Я. Физические процессы в оксидном катоде. М., 1968.

4. Ерофеев Р.С. Особенности химической связи в элементах V и VI групп и их соединениях со структурой тетрадимита. Неорганические материалы, 1978, т. 14, № 8, с. 1365-1369.

5. Ерофеев Р.С. Роль поверхностных электронных состояний в наноразмерных структурах вещества. Труды Международной научно-практической конференции Нанотехнологии-производству 2005. М., 2006, с. 328-333.

6. Ерофеев Р.С. Кристаллохимический анализ теллурида германия/Автономная энергетика. М.: НПП «Квант», № 21, 2006, с. 31 - 35.

7. Сергеев Г.Б. Нанохимия. МГУ, 2003.

Размещено на Allbest.ru