Что такого в этом кремнии? Почему он так важен для современных технологий?
Кремний – второй по распространенности элемент на Земле. Конечно, после кислорода.
И, да - он незаменим в технологиях. Микропроцессоры ваших гаджетов, устройства памяти, миллион миллиардов электронных компонентов - все они содержат кремний.
Свет клином сошелся на кремнии?
Не совсем так. Физики обнаружили и описали много полупроводниковых материалов, которые в одних условиях эффективно проводят электричество, но остаются изолятором в других.
Просто кремний действительно самый распространенный и доступный.
А доступно - значит дешево. Согласитесь, этот факт имеет весомое значение для любой экономики.
Кстати, кремний был открыт сравнительно недавно, в 1824 году шведским химиком Йенсом Якобом Берцелиусом.
С тех пор его роль в развитии технологий только непрерывно возрастала.
Кремний прекрасно “сочетается” с кислородом, образуя диоксид кремния, который используется в производстве стекла и керамики.
Именно это соединение используется для создания высококачественных полупроводниковых пластин. Всех тех, которыми буквально “нашпигована” микроэлектроника.
Однако, несмотря на свою полезность, кремний имеет одно серьезное ограничение – слабую способность пропускать свет.
Кремний плохо справляется с преобразованием световой энергии в электричество, особенно когда дело касается синих фотонов, которые несут больше энергии, чем красные.
В результате, кремний рассеивает значительную часть энергии в виде тепла.
Это прям стопор, который существенно ограничивает его применение в оптоэлектронике и заставляет ученых искать пути для улучшения его светопроводимости.
Как ученые заставляют кремний излучать свет
Поиск в решении проблемы светопроводимости кремния привела к появлению множества инновационных решений.
Одним из таких решений стала разработка гибридных материалов.
В 2019 году команда исследователей из Техасского университета и Калифорнийского университета в Риверсайде представила систему из нанокристаллов кремния и органических соединений.
Созданный материал способен поглощать свет на одной длине волны, а излучать на другой.
Появилась возможность преобразовывать синий свет в красный и наоборот, что открыло дополнительные возможности применения кремния в различных устройствах.
Область применения:
Гибридные материалы не только расширяют функциональные возможности кремния, но и могут быть использованы в биомедицине.
Например, могут помочь в создании новых методов визуализации и диагностики, позволяя врачам более точно определять местоположение опухолей.
Еще один прорыв сделан французской компанией STMicroelectronics.
Исследовательская группа разработала кремниевые светоизлучающие элементы, которые по эффективности сравнимы с традиционными полупроводниками, такими как арсенид галлия.
Внедрение ионов редкоземельных металлов, таких как эрбий или церий, в слой двуокиси кремния позволило значительно повысить квантовую эффективность излучения света.
Ой, больше не буду всякими специфическими словами вас забрасывать!
Скажу только: гибрид кремния с редкоземельными металлами стал не только проводником электричества, но и источником света. А это открыло новые перспективы для его использования в оптоэлектронике.
Небольшой штрих в дополнение:
Редкоземельные металлы, которые используются для улучшения светопроводимости кремния, играют ключевую роль в производстве современных технологичных приборов.
Это вам и магнитные резонансные томографы (МРТ), и смартфоны, и электромобили.
В общем, вы поняли )))
Невиданное открытие в физике света и материи
Сделано оно совсем недавно, в 2024, учеными из России и США, а результаты опубликованы в журнале ACS Nano.
Оказалось, фотоны, ограниченные пространствами нанометрового масштаба внутри кристаллов кремния, могут приобретать значительный импульс. Такой, который аналогичен импульсу электронов в твердых материалах.
Вы ежедневно с этим сталкиваетесь, когда включаете свет в комнате, или нажимаете на кнопку пылесоса, или заставляете работать электрокосилку… Благодаря импульсу электронов, которые “бегут” по проводам, все это у вас работает.
А тут, представляете? Фотоны “посадили в клетку” внутри кремния и они начали примерно так же себя вести.
Это действительно переворот! Ведь открытие бросает вызов традиционному пониманию световых взаимодействий и открывает новые возможности для применения кремния в современных высоких технологиях.
Еще штрих к пониманию:
Явление, когда фотоны ведут себя как частицы с импульсом, известно как эффект Комптона, названный в честь Артура Комптона, который получил Нобелевскую премию по физике в 1927 году.
Комптон продемонстрировал, как фотоны могут сталкиваться с электронами, передавая им часть своего импульса.
Тогда открытие стало ключевым доказательством дуализма света, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
В своих научных экспериментах исследователи использовали кварцевое стекло, прозрачность которого варьировалась от аморфной до кристаллической.
Под воздействием сфокусированного лазерного луча кремниевые пленки изменяли свойства.
Явным доказательством, что фотоны передают энергию, стали изменения в электронных, оптических и тепловых характеристиках материала.
Оказалось, при определенных условиях кремний может излучать свет, что ранее считалось невозможным для этого материала.
Интересный факт: лазерные технологии, используемые в этих исследованиях, сами по себе являются результатом длительной работы ученых. Первый лазер был создан в 1960 году американским физиком Теодором Майманом.
С тех пор лазеры нашли применение в медицине, телекоммуникациях, промышленности и даже в искусстве.
Последнее открытие имеет огромное значение для науки и техники. Оно может привести к созданию более эффективных солнечных батарей, более совершенных лазеров и других устройств.
Что Будет Дальше?
Возможно, в будущем кремний станет основой не только для электронных, но и для оптоэлектронных устройств, что существенно изменит ландшафт современных технологий.
Интересный факт:
Ученые непрерывно ищут способы улучшения световых свойств кремния.
Например, в 2020 группа исследователей из Университета штата Юта обнаружила, что добавление микроскопических “песчинок” золота к кремнию может улучшить его способность к излучению света.
Тогда задумались о создании еще более эффективных светодиодов.
Вот так вот, наука – не только сухие факты, но и простор для фантазии и открытий. Казалось бы, в давно известных и понятных "простых" материалах - скрываются внутренние резервы, о которых мы даже не подозреваем.
Искренне благодарна вам за каждый лайк, который вы оставляете под статьями.
Это не просто приятная оценка - ваши 👍 помогают каналу развиваться.
Не забывайте подписаться на канал - наши читатели узнаю́т больше, когда вникают в Суть явлений