Явище люмінесценції (стр. 2 из 3)

Звичайно, простіш усього було б заборонити частинкам переходи вгору. Однак у світі, що підлягає квантовим законам, такі заборони неможливі. Частинки їм просто не підкоряються, оскільки їх поведінка регулюється тільки температурою і характером речовини, в якій усе це відбувається. Так що для здійснення цієї простої ідеї потрібні були б якісь інші, тонші засоби. Тому було вирішено якимсь чином вилучити частинки зі збудженого стану.

Якби цей вивід частинок вдалося реалізувати, то кількість їх переходів назад скоротилася б і відповідно потужність свічення тіла на даній частоті зменшилась би. Ми вже могли переконатися, що позитивна люмінесценція у простій дворівневій системі реалізується досить легко. Однак здійснимі негативну люмінесценцію в такій ізольованій системі з двома рівнями не можна. Ситуація докорінно зміниться, якщо ввести в систему третій рівень. Тепер можна підводити енергію так, що частинки не будуть повертатися на нижній, основний, а почнуть переходити на додатковий, третій рівень. Наслідком цього нового процесу буде виснаження верхнього рівня і, відповідно, зменшення числа переходів за одиницю часу на початковий рівень. Таким чином, випромінюваний спектр зміниться — в ньому з'являться нові частоти, які відповідають переходу частинок з третього рівня на перший і з третього на другий. А переходи з другого на перший рівень істотно зменшаться, що буде сприйнято зовнішнім спостерігачем як поява на цій частоті деякого провалу — негативної люмінесценції. Так із чисто теоретичних передумов ми приходимо до опису нового фізичного феномена, при якому випромінення тіла повинне не збільшуватись, а зменшуватись порівняно з рівноважним тепловим. Приблизно такий хід міркувань привів у 1955 році співробітників двох інститутів — Фізико-технічного Білоруської Академії наук у Мінську, де працював Б. Степанов, і Фізичного імені О. Лєбедєва АН СРСР у Москві — до створення теоретичної моделі люмінесценції з мінусом. Сьогодні бачимо, що гіпотетична трирівнева модель мало наближається до тієї реальної ситуації, яка відкрита наступними дослідженнями. І все-таки дуже важливий крок був зроблений. Явище було в принципі передбачене, хоча жоден експериментатор, як кажуть, у вічі його не побачив. Якось вийшло так, що ця пріоритетна робота випередила свій час і не привернула уваги, на яку заслуговувала.

Минули десятиліття. Події, яким суджено було вивести другу групу вчених на відкриття люмінесценції, розгорнулися в Інституті напівпровідників АН УРСР. Тут у сімдесят шостому році був організований зовсім незвичайний відділ — Відділ плазмених явищ у напівпровідниках, який очолив молодий дослідник Володимир Костянтинович Малютенко. Незвичайність тематики відділу полягає в тому, що досі фізики займалися дослідженням напівпровідникових кристалів. А київські вчені запропонували розглядати кристал лише як резервуар, сховище плазми і досліджувати не резервуар, а оце примхливе мінливе середовище, Незайве відзначити, що для фізика ніякої різниці між усілякими видами плазм немає. Плазма дуги, блискавки, чи зоряна, плазма в термоядерній установці, чи в твердому тілі — скрізь це буде одне й те саме динамічне середовище. Зараз нікому не цікаві явища в стаціонарі чи, скажімо, в рівноважному стані. За таких спокійних умов із системи не витягнеш ніякої незвичайної інформації. Потрібно її збурити, привести в нерівноважний стан — і ось тоді тільки встигай задавати питання і ловити відповіді про характер електронних переходів, про квантову структуру речовини. З другого боку, будь-які практичні використання пов'язані саме з нерівноважністю.

Ось як підійшли до вивчення явищ у напівпровідниках київські фізики. Можна сказати, що вони затягували невід з такими дрібними вічками, крізь які вже ніяк не могло проскочити нове явище. І справді, незабаром саме дослідження параметрів напівпровідникової плазми привело вчених до відкриття негативної люмінесценції. Вивчення явища можна провести тепер у будь-якій лабораторії, користуючись при цьому досить обмеженим набором стандартних оптичних і електронних приладів. Кожен, хто знайомиться з люмінесценцією з мінусом, вигукує: «Ой, як просто. Ну, чому ж це ми до цього не додумались!..» Що ж, це ознака серйозного результату.

Реально для виготовлення приладу із сильною негативною люмінесценцією потрібна що найтонша пластинка чи просто напилений шар чистого напівпровідника. Не треба ніяких багатошарових структур, р — п-переходу й інших чудес. До цього шару напівпровідника припаюється звичайний омічний контакт. Тепер залишається помістити напівпровідник з контактами в магнітне поле, до речі, теж досить малопотужне — близько тисячі ерстед. Ось і все. Прилад-невидимка готовий. Оскільки електричне і магнітне поля схрещені, хмаринка плазми в напівпровідниковому каркасі кидається від грані до грані залежно від напрямків полів. Грань, з якої спостерігається випромінення, може збагачуватись носіями струму. В цьому випадку число переходів електронів униз із випромінюванням збільшується, і приймач випромінювання

фіксує зростання інтенсивності свічення кристалу. На екрані осцилографа висвічується позитивний імпульс. Це добре вивчений випадок так званої інжекційної люмінесценції напівпровідників. За цим принципом працюють напівпровідникові світлодіоди і лазери.

Може реалізуватися інше — всі носії струму йдуть до задньої грані, на якій спеціальною обробкою створені умови для їхньої рекомбінації без випромінювання. У цьому випадку досліджувана область виснажується, кількість переходів електронів униз зменшується, падає потік рекомбінаційного випромінювання. На екрані осцилографа виникає негативний імпульс.

Амплітуду імпульсу негативної люмінесценції можна збільшити. Для цього достатньо збільшити керуючі поля. Стан насичення відповідає ситуації, коли випромінювання кристала в спектральній області міжзонних переходів повністю припиняється. Після закінчення дії імпульсу напруги потужність випромінювання кристала поступово повертається до рівноважного значення. Прикладання наступного електричного імпульсу знову приводить в рух ті ж сили, і все повторюється.

Негативну люмінесценцію вдалося детально вивчити в Німеччині, антимоніді індію, у сполуках типу кадмій-ртуть-телур і багатьох інших напівпровідниках. І хоча на початку шляху київські дослідники працювали в цілковитій самотності, зараз до них приєднуються все нові й нові групи.

Перші повідомлення про спостереження явища за рубежем з'явилися у пресі 1981 року у ФРН — через два роки після першої роботи київських фізиків.

Ще через два роки до цієї тематики приступили японські дослідники і відразу ж розгорнули роботи досить широко. Потім негативною люмінесценцією зайнялися американські дослідники в Берклі в Каліфорнії.

Від фундаментальних досліджень досить швидко вдалося перейти до практичних розробок і навіть до впровадження в практику. Давно з'ясовано: чим сміливіший пошук вчених, тим до неординарніших технічних рішень він приводить. Мірилом фундаментальності досліджень нерідко може служити широта і принципова новизна практичних застосувань. За цими мірками негативна люмінесценція заслуговує найвищої атестації — вона вже заявила про себе багатьма вражаючими рішеннями.

Одними з перших використати спокусливі можливості відкриття взялися в ужгородському об'єднанні «Закарпатприлад». Конструктори безстрашно почали перетворювати фізичну ідею на реальну конструкцію. Тут в СКТБ засобів аналітичної техніки був створений прилад, який можна назвати «лампочкою-навпаки».

Зовні лампочка нібито нічим особливим не відзначається від тисяч варіантів освітлювальних приладів. Прилад як прилад. Та й деталей всього-на-всього: лінзочка, взята в дюралеву оправу, і дві клеми з тилового боку. Якщо заглянути під лінзочку, там теж нічого особливого не побачиш — крихітна пластиночка напівпровідника між двома магнітиками розміром з сірникову голівку. Однак, коли на клеми лампочки подається електричний імпульс, вона перетворюється на... чорну діру, яка перестає випромінювати теплові промені.

Такій «лампочці-навпаки» вже придумано немало застосувань. Конструктори з Ужгорода відразу побачили, що її легко вмонтувати в апаратуру для тонкого газового аналізу, використати для розробки надійних пристроїв, що сигналізують, наприклад, про найменші кількості шкідливих газів у повітрі.

Скажімо, ми збираємось настроїти прилад на уловлювання метану в шахті. Візьмемо для цього випромінювач, який посилає сигнали в ІЧ-діапазоні хвилі тієї довжини, яку краще всього поглинає метан, і розташуємо на деякій відстані від приймача, що приймає ту ж довжину хвилі.

Далі події в шахті розгорнуться так. Поки метану в повітрі немає, приймач спокійно приймає сигнали і мовчить. Але варто з'явитися метану, як приймач відразу ж перестає «бачити» сигнали і сповіщає про появу в шахті газу.

Сигналізація, побудована на цьому принципі, досить оригінальна і дуже надійна. Ніде в світі ніхто нічого подібного ні за конструкцією, ні за можливостями не випускає.

Після створення «лампочки-навпаки» дослідники взялися розробляти і «рефлектор-навпаки», тобто такий прилад, який не обігрівав би, а, навпаки, відкачував теплоту на себе — охолоджував на відстані. На думку, що такий прилад в принципі можливий, наводить досить просте міркування.

Візьмемо, . наприклад, два тіла, між якими немає ніякого обміну, крім випромінення, і помістимо у вакуум, Випромінення призводить до того, що між тілами зрештою установлюється рівновага, (хні температури вирівнюються. Тепер уявімо, що одне з тіл, завдяки негативній люмінесценції, перестало випромінювати, а тільки поглинає промені. Друге тіло, віддаючи тепло через випромінення і нічого не одержуючи натомість, починає охолоджуватись. Ось і виходить, що перше тіло через негативну люмінесценцію працює як антирефлєктор, рефлектор-навпаки, який висмоктує тепло з навколишніх тіл, охолоджує їх на відстані. Виявилось, що, незважаючи на всю свою фантастичність, вона становить неабиякий інтерес для практики, її можна використати для охолодження мініатюрних деталей, елементів електроніки. Такого роду холодильники будуть незамінні там, де не вдається одержати контакт для безпосереднього охолодження, де не можна відкачати тепло в результаті обігу навколо охолоджуваного тіла холодоагента. Тут відкачування буде проводитись на відстані.