Реферат: Явище люмінесценції
Незвичайність предмета,про який піде мова, змушує почати здалеку — від того періоду в історії Землі,коли вперше з'явилася загроза гігантським ящерам. Цією загрозливою силою булидивні теплокровні істоти, які злякано ховалися по кущах при самій тільки появідинозаврів.
Однак з рокамитеплокровні росли й міцніли, а славне плем'я ящерів-велетнів дрібнішало йвимирало. Зараз тільки за гордим поворотом голови та загальними обрисами тіламожна пізнати в жалюгідних ящірках і гекконах їхніх великих предків. А втім,природі не властива нудна прямолінійність. Поступившись силою, втративши велич,далекі потомки прадавніх рептилій умудрились перетворити на недоліки головнуперевагу своїх переможців. Щитомордники, гримучі змії і багато інших плазунівнавчились уловлювати невидимі теплові промені, які мимоволі випускають їхніпереможці, і в такий спосіб дістали можливість атакувати свої жертви у темнихнорах, під покривом ночі, коли все живе безпомічне. Вражаючий приклад того, яксилу ворогів можна перетворити на слабкість!
Слід відзначити:теплокровні й досі не знайшли що протиставити шостому почуттю плазунів —теплобаченню. І навіть тоді, коли людина побудувала всілякі тепловізори,створивши прилади для інфрачервоного бачення в цілковитій темряві, це, по суті,було лише повторенням патента природи. Люди використали «винахід» плазунів,відшліфований мільйонами років нелегкої еволюції.
Все це мимоволі спалона думку, коли у відділі плазмених явищ у напівпровідниках Інститутунапівпровідників АН УРСР професор Володимир Костянтинович Малютенко показавзовні нічим не примітний прилад: лінзочка в дюралевому футлярі та дві клеми іззворотного боку. Ось і вся технічна премудрість. Але ж коли на клеми цієїлампочки був поданий електричний імпульс, вона не спалахнула яскравим світлом,як це буває звичайно, а навпаки, перестала випромінювати будь-що, як належитьтілу, нагрітому до певної температури.
Сталося абсолютнонеймовірне — серед звичайних предметів утворилася якась «чорна діра», про щодосі можна було прочитати хіба у фантастів та в деяких астрономів, якізаймаються дослідженням далекого космосу. Легко уявити собі здивування гримучоїзмії, яка звикла покладатися на своє безвідмовне шосте почуття, якби їйдовелось зіткнутися з чимось подібним — предмети раптом перед її проникливимпоглядом зникали б...
А втім, особливохвилюватися з цього приводу не слід — предмети з поля зору зникають неназавжди. Варто прибрати електричний імпульс і «лампочка-навпаки» зновуповернеться до свого природного стану. Вона стане звичайним предметом, якийнічим не виділяється з-поміж інших.
Дивні перетворення«лампочки-навпаки» ще не так давно загнали б у кут навіть учених, які звиклинічому не дивуватися. Адже й сьогодні тільки вузьке коло спеціалістів знає пронегативну люмінесценцію, що є причиною появи серед звичайних предметів «чорнихдір» на замовлення.
Називати звичайнулюмінесценцію позитивною, чи люмінесценцію з плюсом, знадобилось тоді, колидослідники відкрили, що в цього явища є антипод. Зберігаючи спільну схожість зісвоїм старшим родичем, що вивчається вже понад століття, він проте є йогосвоєрідним дзеркальним відображенням і несе в собі мінус. Але про дзеркальневідображення трохи пізніше. Збережемо належний етикет і почнемо знайомство застаршинством.
Про позитивнулюмінесценцію сьогодні знає, мабуть, кожен. Хто не милувався сяючим в теплулітню ніч світлячками чи зеленкуватими вогниками в морі, які розцвічують хвилі.На Далекому Сході під час вилову горбуші можна спостерігати ще більш вражаючевидовище — тарілка зі свіжою кетовою ікрою світиться, хоч читай при ній.
Ну, і як не згадати тут«Собаку Баскервілів», у якій злочинці так блискуче використали люмінесцентнуфарбу? Правда, трохи менш відомо, що свічення деяких мінералів і навітьПівнічне сяйво також мають пряме відношення до тієї ж таки люмінісценції.
Із технічнихзастосувань цього явища найбільш відомі різні варіанти світлових панелей. Ужене дивують незвичайністю плоскі телевізійні екрани, де використана здатністьдеяких речовин світитись під впливом електромагнітного поля. До всіх цихпристроїв сьогодні додалися системи обробки інформації, різноманітніоптоелектричні пристрої — підсилювачі випромінювання тощо. Неможливо обійтиувагою й те, що в основі роботи лазера лежать ті самі принципи позитивноїлюмінесценції.
Вражаюча невичерпністьнапрямку! Він дарує техніці винаходи, один дивовижніший іншого. І хай не всівони ведуть до гучних технічних звершень, але всі, проте, надійно і послідовнозбагачують техніку, Щоб повною мірою оцінити дотепність учених, котрі відскромного свічення світлячків і старих пнів проклали дорогу до каскадублискучих досягнень сучасної техніки, нам доведеться зануритись у глибиниквантової механіки. Без допомоги цієї непростої науки не розібратися вхитромудрих процесах, які призводять до того, що з кристалу, газу чи рідинираптом починає струменіти якесь випромінювання, що дістало назву люмінесценція.Або, навпаки, тіло начебто зовсім зникає з навколишнього світу, засвідчуючи, щовсе в цьому світі діалектично пов'язане, що у будь-якого прямого фізичногопроцесу і є зворотний. Але висновки потім. Зараз спробуємо розібратися в тому,що відбувається у мікросвіті речовини, коли вона починає поводитись так дивно.
ПРО РІВНОВАГУ І ЇЇПОРУШЕННЯ
Квантова механікабазується на тому сьогодні вже загальноприйнятому уявленні, що енергія вбудь-якій системі змінюється не безперервно, а стрибком, і тому набуває лишепевних значень. Навмисне не будемо сковувати себе чітким визначенням слова«система» — це може бути і один атом чи молекула або ж газ, кристал, краплярідини, що являють собою цілі ансамблі частинок. Головне для нас зараз —підтвердити факт, що перехід такої системи з одного енергетичного стану в іншийвідбувається стрибком. При цьому виділяється чи поглинається порція (квант)енергії.
Тепер візьмемотермостат, стінки якого утримують певну температуру, і помістимо в нього нашусистему. Залишається почекати поки потік енергії, що падає на тіло,дорівнюватиме тому, що виділяється, і ми зможемо визначити потужністьрівноважного випромінювання в заданому спектральному діапазоні. Знаючи цювеличину, неважно вимірювати величину люмінесценції.
Звичайно, покирівновага в нашій системі не порушена, про люмінесценцію годі говорити. Алеякщо в систему надходить додаткова енергія, рівновага порушується. При цьомукількість переходів частинок з основного стану відразу ж зростає. А появанадлишку частинок у збудженому стані збільшує число зворотних переходів. Одразуж виникає сумарна потужність випромінення на заданій частоті, яку мизареєструємо у вигляді люмінесценції — явище, яке свідчить про те, що в даномутілі з'явився надмір випромінення над тепловим, тобто рівновагу порушено.
Достоїнством цьогофеномена є те, що практично в усіх цікавих випадках люмінесценцію можна виявитидуже просто — це явище помітне. Ось тому люмінесценція стала дуже важливимінструментом дослідження нерівноважного стану речовини. Причому зовсім неважливо, який спосіб збудження системи при цьому використаний — чи то світловіхвилі, чи проникаюча радіація, хімічні реакції чи електричне поле, процесижиття чи механічна дія — незалежно від способу приведення частинок у такийзбуджений стан потужність випромінення системи збільшується, іноді досягаючивеличезних розмірів. Згадаємо ще раз приклад з лазером.
Усі ці особливостілюмінесценції призвели до того, що вона з цілком другорядного процесу, якийявно не лежить на головній магістралі розвитку науки, перетворилась на могутнійінструмент вивчення щонайтонших явищ, які відбуваються в глибинах матерії. З їїдопомогою стало можливим досліджувати просторове розташування структуримолекул, процеси перетворення і переносу енергії, енергетичну структуруречовин. Це дало змогу застосовувати її методи в ядерній фізиці, хімії, геології.її поспішили використати біологи і біофізики при вивченні найтонших процесівжиття. Нарешті, люмінесценція знайшла застосування в космічних дослідженнях...
І все ж на сьогоднішнійдень — це вже класика науки. Тут важко чекати революції. Несподіване почалось,коли вчені поставили задачу, так би мовити, з ніг на голову — коли вонипоставили собі питання: а чи не можна одержати люмінесценцію з мінусом?
Коли глянути на задачупро негативну люмінесценцію з висоти нинішніх досягнень, може здатися, що цяідея не така вже й складна. Правда, саме про задачі прості вже не одиндослідник говорив, що розв'язати їх — справа надзвичайно важка. Можливо, саметут лежить пояснення того дивного для сучасної науки факту, що на початковомуетапі негативна люмінесценція розроблялася без будь-якої видимої конкуренції.Це тим більш дивно, що на всіх найголовніших напрямках науки зараз робитьсятаке, що часто-густо важко назвати єдиного автора ідеї: до рішення її одночасноприходять численні групи вчених у різних країнах.
А тут усі подіїрозвивалися ідилічно спокійно. Всі попередні дослідження були проведені тількив нашій країні.
Вперше вийшов нанегативну люмінесценцію відомий оптик з Мінська, представник знаменитоїфізичної школи Сергія Вавілова, академік АН Білоруської РСР Борис Степанов.Сталося це років тридцять тому, коли у фізиці інтенсивно обговорювалась задача,яка нібито й не має прямого відношення до нашої теми — про можливість поясненняквантового виходу люмінесценції більшої за одиницю. Борис Іванович, розглядаючиз колегами схему переходу, відкрив, що серед членів, які обумовлюютьвипромінювальні переходи, з'явився один з від'ємним знаком. Все це і далоавторам привід буквально на рівному місці передбачити явище, яке ні з якого експериментуне випливало.
Давайте й ми простежимоза тим, що станеться, коли енергія, яка підводиться ззовні, витрачається не назбільшення (що давно і добре досліджено), а на зменшення «заселеності»збудженого рівня.
Звичайно, простішусього було б заборонити частинкам переходи вгору. Однак у світі, що підлягаєквантовим законам, такі заборони неможливі. Частинки їм просто не підкоряються,оскільки їх поведінка регулюється тільки температурою і характером речовини, вякій усе це відбувається. Так що для здійснення цієї простої ідеї потрібні булиб якісь інші, тонші засоби. Тому було вирішено якимсь чином вилучити частинкизі збудженого стану.
Якби цей вивід частиноквдалося реалізувати, то кількість їх переходів назад скоротилася б і відповіднопотужність свічення тіла на даній частоті зменшилась би. Ми вже моглипереконатися, що позитивна люмінесценція у простій дворівневій системіреалізується досить легко. Однак здійснимі негативну люмінесценцію в такійізольованій системі з двома рівнями не можна. Ситуація докорінно зміниться,якщо ввести в систему третій рівень. Тепер можна підводити енергію так, щочастинки не будуть повертатися на нижній, основний, а почнуть переходити надодатковий, третій рівень. Наслідком цього нового процесу буде виснаженняверхнього рівня і, відповідно, зменшення числа переходів за одиницю часу напочатковий рівень. Таким чином, випромінюваний спектр зміниться — в ньомуз'являться нові частоти, які відповідають переходу частинок з третього рівня наперший і з третього на другий. А переходи з другого на перший рівень істотнозменшаться, що буде сприйнято зовнішнім спостерігачем як поява на цій частотідеякого провалу — негативної люмінесценції. Так із чисто теоретичних передумовми приходимо до опису нового фізичного феномена, при якому випромінення тіла повиннене збільшуватись, а зменшуватись порівняно з рівноважним тепловим. Приблизнотакий 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 теоретичноїмоделі люмінесценції з мінусом. Сьогодні бачимо, що гіпотетична трирівневамодель мало наближається до тієї реальної ситуації, яка відкрита наступнимидослідженнями. І все-таки дуже важливий крок був зроблений. Явище було впринципі передбачене, хоча жоден експериментатор, як кажуть, у вічі його непобачив. Якось вийшло так, що ця пріоритетна робота випередила свій час і не привернулауваги, 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 роцібув організований зовсім незвичайний відділ — Відділ плазмених явищ унапівпровідниках, який очолив молодий дослідник Володимир КостянтиновичМалютенко. Незвичайність тематики відділу полягає в тому, що досі фізикизаймалися дослідженням напівпровідникових кристалів. А київські вченізапропонували розглядати кристал лише як резервуар, сховище плазми ідосліджувати не резервуар, а оце примхливе мінливе середовище, Незайвевідзначити, що для фізика ніякої різниці між усілякими видами плазм немає.Плазма дуги, блискавки, чи зоряна, плазма в термоядерній установці, чи втвердому тілі — скрізь це буде одне й те саме динамічне середовище. Заразнікому не цікаві явища в стаціонарі чи, скажімо, в рівноважному стані. За такихспокійних умов із системи не витягнеш ніякої незвичайної інформації. Потрібноїї збурити, привести в нерівноважний стан — і ось тоді тільки встигай задаватипитання і ловити відповіді про характер електронних переходів, про квантовуструктуру речовини. З другого боку, будь-які практичні використання пов'язанісаме з нерівноважністю.
Ось як підійшли довивчення явищ у напівпровідниках київські фізики. Можна сказати, що вонизатягували невід з такими дрібними вічками, крізь які вже ніяк не моглопроскочити нове явище. І справді, незабаром саме дослідження параметрівнапівпровідникової плазми привело вчених до відкриття негативної люмінесценції.Вивчення явища можна провести тепер у будь-якій лабораторії, користуючись прицьому 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 длявиготовлення приладу із сильною негативною люмінесценцією потрібна що найтоншапластинка чи просто напилений шар чистого напівпровідника. Не треба ніякихбагатошарових структур, р — п-переходу й інших чудес. До цього шарунапівпровідника припаюється звичайний омічний контакт. Тепер залишаєтьсяпомістити напівпровідник з контактами в магнітне поле, до речі, теж доситьмалопотужне — близько тисячі ерстед. Ось і все. Прилад-невидимка готовий.Оскільки електричне і магнітне поля схрещені, хмаринка плазми внапівпровідниковому каркасі кидається від грані до грані залежно від напрямківполів. Грань, з якої спостерігається випромінення, може збагачуватись носіямиструму. В цьому випадку число переходів електронів униз із випромінюваннямзбільшується, і приймач випромінювання />фіксуєзростання інтенсивності свічення кристалу. На екрані осцилографа висвічуєтьсяпозитивний імпульс. Це добре вивчений випадок так званої інжекційноїлюмінесценції напівпровідників. За цим принципом працюють напівпровідниковісвітлодіоди і лазери.
Може реалізуватися інше— всі носії струму йдуть до задньої грані, на якій спеціальною обробкоюстворені умови для їхньої рекомбінації без випромінювання. У цьому випадкудосліджувана область виснажується, кількість переходів електронів униззменшується, падає потік рекомбінаційного випромінювання. На екрані осцилографавиникає негативний імпульс.
Амплітуду імпульсунегативної люмінесценції можна збільшити. Для цього достатньо збільшити керуючіполя. Стан насичення відповідає ситуації, коли випромінювання кристала вспектральній області міжзонних переходів повністю припиняється. Післязакінчення дії імпульсу напруги потужність випромінювання кристала поступовоповертається до рівноважного значення. Прикладання наступного електричногоімпульсу знову приводить в рух ті ж сили, і все повторюється.
Негативну люмінесценціювдалося детально вивчити в Німеччині, антимоніді індію, у сполуках типукадмій-ртуть-телур і багатьох інших напівпровідниках. І хоча на початку шляхукиївські дослідники працювали в цілковитій самотності, зараз до нихприєднуються все нові й нові групи.
Перші повідомлення проспостереження явища за рубежем з'явилися у пресі 1981 року у ФРН — через двароки після першої роботи київських фізиків.
Ще через два роки доцієї тематики приступили японські дослідники і відразу ж розгорнули роботидосить широко. Потім негативною люмінесценцією зайнялися американськідослідники в Берклі в Каліфорнії.
Від фундаментальнихдосліджень досить швидко вдалося перейти до практичних розробок і навіть довпровадження в практику. Давно з'ясовано: чим сміливіший пошук вчених, тим донеординарніших технічних рішень він приводить. Мірилом фундаментальностідосліджень нерідко може служити широта і принципова новизна практичнихзастосувань. За цими мірками негативна люмінесценція заслуговує найвищоїатестації — вона вже заявила про себе багатьма вражаючими рішеннями.
Одними з першихвикористати спокусливі можливості відкриття взялися в ужгородському об'єднанні«Закарпатприлад». Конструктори безстрашно почали перетворювати фізичну ідею нареальну конструкцію. Тут в СКТБ засобів аналітичної техніки був створенийприлад, який можна назвати «лампочкою-навпаки».
Зовні лампочка нібитонічим особливим не відзначається від тисяч варіантів освітлювальних приладів.Прилад як прилад. Та й деталей всього-на-всього: лінзочка, взята в дюралевуоправу, і дві клеми з тилового боку. Якщо заглянути під лінзочку, там тежнічого особливого не побачиш — крихітна пластиночка напівпровідника між двома магнітикамирозміром з сірникову голівку. Однак, коли на клеми лампочки подаєтьсяелектричний імпульс, вона перетворюється на… чорну діру, яка перестаєвипромінювати теплові промені.
Такій«лампочці-навпаки» вже придумано немало застосувань. Конструктори з Ужгородавідразу побачили, що її легко вмонтувати в апаратуру для тонкого газовогоаналізу, використати для розробки надійних пристроїв, що сигналізують,наприклад, про найменші кількості шкідливих газів у повітрі.
Скажімо, ми збираємосьнастроїти прилад на уловлювання метану в шахті. Візьмемо для цьоговипромінювач, який посилає сигнали в ІЧ-діапазоні хвилі тієї довжини, яку кращевсього поглинає метан, і розташуємо на деякій відстані від приймача, що приймаєту ж довжину хвилі.
Далі події в шахтірозгорнуться так. Поки метану в повітрі немає, приймач спокійно приймає сигналиі 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 світініхто нічого подібного ні за конструкцією, ні за можливостями не випускає.
Після створення«лампочки-навпаки» дослідники взялися розробляти і «рефлектор-навпаки», тобтотакий 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 увакуум, Випромінення призводить до того, що між тілами зрештою установлюєтьсярівновага, (хні температури вирівнюються. Тепер уявімо, що одне з тіл, завдяки негативнійлюмінесценції, перестало випромінювати, а тільки поглинає промені. Друге тіло,віддаючи тепло через випромінення і нічого не одержуючи натомість, починаєохолоджуватись. Ось і виходить, що перше тіло через негативну люмінесценціюпрацює як антирефлєктор, рефлектор-навпаки, який висмоктує тепло з навколишніхтіл, охолоджує їх на відстані. Виявилось, що, незважаючи на всю своюфантастичність, вона становить неабиякий інтерес для практики, її можнавикористати для охолодження мініатюрних деталей, елементів електроніки. Такогороду холодильники будуть незамінні там, де не вдається одержати контакт длябезпосереднього охолодження, де не можна відкачати тепло в результаті обігунавколо охолоджуваного тіла холодоагента. Тут відкачування буде проводитись навідстані.
Чого слід сподіватисявід негативної люмінесценції? Насамперед, згадаємо, що звичайна чи позитивналюмінесценція подарувала приладобудуванню могутній дослідницький метод —люмінесцентний аналіз. Де тільки не зустрінеш сьогодні прилади, побудовані нацьому принципі.
Є серйозні підставивважати, що у негативної люмінесценції здібності не менші. Вона може, скажімо,прислужитися у дослідженні метрики, тобто квантової структури речовини. Недивно, що першими намагалися використати можливості нового напряму у себе влабораторіях самі фізики-експериментатори. З допомогою нового явища київськимфізикам вдалося виміряти такі властивості напівпровідників, які ще недавно непіддавались точній кількісній оцінці. Негативна люмінесценція дала змогувизначити найважливіші параметри напівпровідників: час життя і швидкістьповерхневої рекомбінації носіїв струму, їхню рухли/>/>вістьі коефіцієнт дифузії. Досить просто, порівняно з існуючими методами,визначається ширина забороненої зони матеріалу, легко простежується залежністьцього параметра від зовнішніх факторів: тиску, електричного й магнітного полівтощо.
У зв'язку з тим, щонегативна люмінесценція може бути викликана різними зовнішніми причинами:температурою, тиском, магнітним полем тощо, це явище використовується длястворення нових датчиків, чи сенсорів, як зараз прийнято говорити. Вже створеніоптоелектричні датчики температури, магнітного поля, тиску. Новизна технічнихрішень усіх цих приладів не викликає сумнівів — київські фізики одержалиавторські свідоцтва, які стверджують їх пріоритет.
«Втім, все це лишепочаток,— вважає професор В. Малютенко. — Дослідження, які зараз розгортаютьсяв Інституті напівпровідників АН УРСР, дають підстави сподіватися, що будутьзнайдені нові ефективні способи збудження негативної люмінесценції у твердихтілах, які різко розширюють сферу її застосування. Немає принципових обмеженьна існування цього явища у металах, рідинах. Значний інтерес являють собою дослідженняу газах при вивченні спектрів молекул і атомів».
Не виключено, якпоказують дослідження в різних країнах, що вивчення негативної люмінесценціїбуде корисним при розшифровці складних і недостатньо вивчених спектрівзбуджених станів молекул і молекулярних комплексів. Заділ уже є — американськимдослідникам вдалося знайти негативну люмінесценцію при оптичному накачуваннігазів С02 і N02.
«Виявлення негативноїлюмінесценції слід чекати при хімічних реакціях,— вважають учені з Інститутунапівпровідників АН УРСР.— Воно можливе також у біологічних об'єктах». Небудемо захоплено фантазувати на таку вдячну тему, підказану вченими, кращезвернемо увагу на ту обставину, що це явище може зіграти неабияку роль і придослідженні далекого космосу. Вже знайдені джерела в космосі, температура якихвиявилась нижчою від температури реліктового випромінювання. Колипідтвердиться, що це явище пов'язане з негативною люмінесценцією, вдастьсяодержати відомості про дуже важливі процеси, що відбуваються у Всесвіті, ближчепознайомитись з матеріалом, з якого складається міжзоряний простір.
Ось яким каскадомвинаходів і нових надій обернулася спроба вчених поставити звичне, давно всімвідоме явище «з ніг на голову». Але ж на початку спроба не провіщала ніякихособливих перспектив. Та не минуло й десяти літ після відкриття, як передтехнікою відкрились досить заманливі горизонти. Можна назвати немалопідприємств, які з інтересом придивляються до нових можливостей. Нічого нескажеш — у відкриття щаслива доля. І все-таки крапку в цій оповіді ставити неможна.
Так, справді, нашівчені володіють сьогодні очевидною перевагою в розробці цієї теми — більшаполовина всіх публікацій, авторські ідеї належать радянським ученим. Пріоритетрадянської науки на цьому напрямі ніким не заперечується. Але все ж темпи, зякими західні лабораторії почали нарощувати дослідження з цих питань в останніроки, інтерес електронних фірм свідчить про те, що лідерство можна легковтратити. Настав час якомога швидше переходити від фундаментальних дослідженьдо якнайширшого впровадження. Зрозуміло, що силами академічного інститутудовести ідею до промислового впровадження.