Изобретения Алфёрова — на каждом шагу
Гетероструктуры, созданные учёным, повсеместно применяются в смартфонах, фарах автомобилей и солнечных батареях
У каждого современного человека в кармане лежит сотовый телефон. Он ездит по навигатору, пользуется Интернетом, расплачивается пластиковой картой. И даже не догадывается, что всё это стало возможным благодаря изобретениям Жореса Алфёрова.
Славное время
Меняя состав веществ, удавалось получить структуры с заданными физическими свойствами. Этой темой занимались во всём мире, но именно группа Жореса Алфёрова сумела разработать промышленную технологию выращивания гетероструктур.
Спасибо за ГЛОНАСС
В 1963 году он одним из первых на планете создал полупроводниковый лазер, который, правда, работал только при сверхнизких температурах жидкого азота. Но спустя шесть лет прибор уже мог работать при комнатной температуре — и тут первенство принадлежит исключительно команде Алфёрова. Этот лазер сейчас используется повсюду: для записи и воспроизведения компакт-дисков, для считывания штрих-кода на кассах в магазинах, для передачи сигнала по оптоволокну — это позволяет охватить весь мир сетью Интернет.
Гетероструктуры, разработанные Жоресом Алфёровым, применяются в мобильных телефонах — из них состоит сверхвысокочастотный усилитель сигнала, без которого сотовая связь невозможна. А ещё — светодиоды и фотодиоды, освещающие наши дома, используемые в светофорах и фарах автомобилей. Быстрые диоды и быстрые транзисторы, которые нужны в спутниковой радиосвязи — благодаря им работают в том числе GPS и ГЛОНАСС. ИК-порт и технология «Блю рей» — это тоже гетероструктуры. И, наконец, солнечные батареи — от маленьких в детских игрушках до огромных на космических станциях.
Именно за создание гетероструктур, применяемых в высокочастотных схемах и оптоэлектронике, Алфёров вместе с немцем Гербертом Крёмером и получил в 2000 году Нобелевскую премию по физике.
На этом учёный не успокоился. Последние десятилетия он посвятил созданию гетероструктур для солнечных батарей нового поколения. Экспериментальные образцы уже обладают рекордным КПД, но теперь нужно изобрести технологию, пригодную для массового производства.
К сожалению, ученики Жореса Алфёрова будут биться над этой проблемой уже без своего великого учителя. Но можно не сомневаться, они решат задачку. И тогда электричество, произведённое из света, заменит атомную и углеводородную энергетику и войдёт в каждый дом. Подобный прорыв наверняка будет отмечен Нобелевской премией — и тот, кто её получит, обязательно в своей Нобелевской лекции не раз помянет Жореса Алфёрова добрым словом.
Источник
Жорес Алферов — солнечная энергия не имеет альтернатив
—>
Жорес Алферов – о том, когда и почему закончится век нефти
Организация Объединенных Наций объявила 2015 год Годом света и световых технологий. На церемонии открытия в Париже многие докладчики вспоминали 1905 год, когда Альберт Эйнштейн опубликовал пять статей о роли света, говорили о том, какой вклад эти работы сделали в развитие всей современной науки. Я же буду говорить только об одной проблеме в этой области – об эффективной генерации и преобразовании световой энергии.
Президент Лондонского королевского общества Джордж Портер как-то сказал замечательную фразу: «Вся наука – прикладная. Разница только в том, что в одних случаях приложение возникает очень быстро, а в других – через столетия». Фундаментальная наука пытается найти решения двух основных проблем – происхождения Вселенной и происхождения жизни. Им посвящено огромное количество исследований, и из этих исследований возникла масса приложений. В XX столетии у людей появилась возможность создать источник бесконечной энергии, зажечь Солнце на Земле. Это удалось сделать, когда люди создали и взорвали водородную бомбу.
С моей точки зрения, наибольший вклад в решение проблемы создания рукотворного Солнца внесли Эдвард Теллер, Станислав Улам, Виталий Гинзбург и Борис Константинов. Идея использования термоядерного синтеза родилась достаточно быстро, но классический проект водородной бомбы мог быть реализован только после того, как первые шаги к его осуществлению сделал Станислав Улам, а затем идея получила развитие у Эдварда Теллера. Была создана система, которая была опробована в ноябре 1952 года на испытании «Майк» – энергия атомной бомбы с помощью специальных кранов концентрировалась на дейтерид-тритиевой взрывчатке. Ей требовалась гигантская система охлаждения, и хотя взрыв составил 10 мегатонн, это была не бомба, а термоядерное устройство. Бомбой ее сделал Виталий Лазаревич Гинзбург, который предложил использовать для реакции не дейтерид трития, а дейтерийд лития. Это твердое вещество, при комнатной температуре напоминает мел, и с его использованием бомбу можно сделать транспортабельной. Практический же метод получения лития-6 реализовал Борис Павлович Константинов, и этот подход, без использования методов Улама-Теллера, был реализован в сахаровской «Слойке».
Потом Солнце на Земле зажигали слишком много раз, и никакого счастья человечеству это не принесло. В 1951 году академики Тамм и Сахаров предложили магнитную изоляцию плазмы и основу того, что впоследствии получило название «токамак». Научное сообщество мира, советские, американские, британские ученые и представители многих других стран истратили сотни миллиардов долларов на различного сорта установки, в которых можно было бы вести реакции управляемого термоядерного синтеза. В итоге это вылилось в международный проект ITER, значительный вклад в который внесла и наша страна, и во Франции уже началось строительство. Если вы сегодня спросите специалистов, когда эти технологии получат широкое индустриальное применение, то получите ответ, что к 2020 году будут первые экспериментальные работы, может быть, в начале второй половины XXI века их начнут активно использовать. Я отношусь к этому весьма скептически, потому что одна магнитная изоляция плазмы сама по себе проблем не решает.
Есть еще другое направление термоядерных исследований – лазерный термоядерный синтез. В этой области есть определенный прогресс, добились его прежде всего в Ливерморской лаборатории. На установке National Ignition Facility 192 лазерных пучка были сконцентрированы на термоядерной взрывчатке в очень малом объеме, и количество полученной энергии оказалось больше энергии, переданной топливу. Но зачем все это изучать?
Нам, безусловно, нужны новые источники энергии. Причем успешный термоядерный реактор есть у нас под рукой. Это звезда класса G2, очень средняя по космическим меркам – наше Солнце. Оно надежно функционирует уже многие миллиарды лет, и еще долго будет продолжать работать без перебоев. Наверное, наилучшим вариантом для нас было бы научиться эффективному преобразованию солнечной энергии и эффективной генерации света.
Благодаря появлению полупроводниковых светодиодов и лазеров в этой области произошли значительные изменения. Той основой, на которой можно проводить и преобразование, и генерацию, стали гетероструктуры, которые сегодня нашли массу применений и в некоторых областях стали незаменимыми. К примеру, для космических исследований солнечные батареи являются не просто наиболее эффективным источником энергии, а фактически единственным решением энергетических проблем.
Очень важным моментом в повышении эффективности энергопотребления становится работа над источниками освещения: если мы повышаем их коэффициент полезного действия (КПД), то начинаем заметно экономить электричество. В свое время меня поразила статистика использования источников света в Великобритании. Практически до середины XX века там превалировали газовые и керосиновые источники света, и только во второй половине столетия начали повсеместно использовать электрические лампочки. В прошлом году трое выдающихся японских ученых, Исама Акасаки, Хироши Амано и Судзи Накамура, получили Нобелевскую премию за создание синего светодиода, с помощью которого люминесцентным образом можно получить белое освещение. Со временем основным типом светодиода станет такой, в котором вы будете регулировать все основные цвета, интенсивность освещения, задавать параметры на компьютере. Прогноз в той же Великобритании показывает, что с середины 2020-х годов практически все освещение перейдет на светодиоды.
Каменный век закончился не потому, что наступил дефицит камня, и век нефти закончится не из-за дефицита нефти. Во всех случаях основу развития цивилизации составляют новые технологии, которые создаются на основе научного исследования. Если мы посмотрим, как меняются различные типы солнечных батарей, самыми часто используемыми были и остаются устройства на кремниевой технологии. Но заметную часть в общей мощности производства стали занимать солнечные батареи на основе концентраторных каскадных фотоэлементов на гетероструктурах. Кроме того, в 2000 году вместе с нами Нобелевскую премию по химии получили Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидэки Сиракава – они доказали возможность получения проводящих и изоляционных полимерных материалов, а также перспективы использования этого нового класса материалов в том числе для светодиодов и солнечных батарей. Основное преимущество полимерного подхода в том, что с его помощью приборы можно печатать типографским способом. К сожалению, там пока масса проблем – рекордный КПД составляет всего 13%, низкая надежность, но перспектива печати открывает новые горизонты: пленку можно будет наклеивать на окна, и они будут одновременно пропускать световое излучение и генерировать электричество. Эти полимерные материалы определенно займут свою нишу, и частота их применения будет расти.
Первая государственная программа использования солнечной энергии появилась в США в 1974 году во время первого крупного энергетического кризиса, аналогичная программа была принята у нас в СССР. Стоимость пикового ватта установленной мощности на основе фотовольтаического эффекта в ней составляла $100 за ватт, и мы тогда прогнозировали, что за 25-30 лет этот показатель упадет до 25-30 центов за ватт. В первые годы мы успешно шли к результату, потом процессы затормозились, но, тем не менее, сегодня эта величина составляет полдоллара за ватт. Если сравнить этот показатель с аналогичной величиной для атомной электростанции – там стоимость составит четыре-пять тысяч долларов за киловатт. Если даже учесть дополнительные моменты, что там пиковый киловатт является одновременно средним (или очень близок к этому значению), что для солнечных батарей другие величины, требования к безопасности, все равно получаемые мощности стоят меньше.
Суммарная мощность всех солнечных батарей, установленных в мире в 2014 году, составила 47 ГВт. Для сравнения, пиковая мощность всех электростанций России составляет примерно 200 ГВт, а суммарная мощность всех установленных в мире солнечных батарей сегодня составляет 187 ГВт. Согласно прогнозам, к 2020 году она составит 500-540 ГВт.
В завершение я хочу подчеркнуть, что лучшим типом преобразования солнечной энергии сегодня является фотовольтаический эффект в полупроводниковых солнечных батареях. Теоретическая эффективность преобразования солнечной энергии на основе системы гетероструктур с большим количеством p-n переходов может достигать 86%. В системе всего с тремя p-n переходами сегодня реально достигнуть КПД в 46%, при крупномасштабном производстве этот показатель составит 40%. Чаще всего сегодня используются кремниевые солнечные батареи, у которых рекорд КПД составляет 25% в лаборатории и 18% в массовом производстве, но это уже очень выгодно.
Нам необходимо двигаться дальше по этой дороге, выбирая наиболее эффективные материалы, и, с моей точки зрения, для этого требуется решить две чрезвычайно важных проблемы. Первая – повышение КПД кремниевых солнечных батарей благодаря использованию второго каскада, причем важно, чтобы он не был слишком дорогим. Решение это непростое, но с его помощью можно увеличить КПД примерно в полтора раза – до 30%, это было доказано и у нас в Академическом университете, и другими организациями. Вторая – развитие каскадных солнечных концентраторных батарей, где при массовом производстве сегодня можно добиться КПД в 40%, а значит, возможно заметное увеличение прироста мощности при снижении стоимости одного киловатта.
Я бы сказал, что сегодня этот способ преобразования солнечной энергии достиг того уровня, когда он начинает экономически конкурировать с существующими типами производства электроэнергии. С моей точки зрения, к середине столетия он будет составлять заметную часть, десятки процентов производства электроэнергии в мире. Наука интернациональна по своей природе и не знает границ, и я надеюсь, что в решении столь важных задач мы не изменим своим принципам, будем делиться результатами исследований и работать вместе для решения общих проблем.
Источник
Творец гетероструктур
Не стало лауреата Нобелевской премии по физике Жореса Алфёрова
В пятницу, 1 марта 2019 года, умер советский и российский физик Жорес Иванович Алфёров. Больше всего он был известен своими разработками в области полупроводниковых гетероструктур — сейчас эти структуры используются в лазерах, светодиодах, высокочастотных транзисторах и других приборах, без которых невозможно представить современную электронику. За исследования гетероструктур в 2000 году Алфёров получил Нобелевскую премию по физике. Он был последним нобелевским лауреатом из ныне живущих в России. В этом материале мы расскажем про открытия Жореса Алфёрова, их применение в науке и повседневной жизни.
Дешевый лазер при комнатной температуре
Один из самых известных примеров гетероструктур, которые изучал Алфёров, — это полупроводниковый лазер, повсеместно применяемый в современной жизни. Чтобы понять, почему эти приборы так важны, проследим за историей их создания и разберемся в принципах их работы.
В основном, природное излучение некогерентно, то есть состоит из смеси волн с разной фазой и частотой. В частности, такую смесь представляет собой свет Солнца и других звезд, излучение лампы накаливания и горящего дерева. К сожалению, работать с таким светом неудобно.
Например, чтобы записать голограмму, нужно тонко подстроить фазы волн, «выжигающих» картинку; чтобы сигнал не «размазывался» при передаче по оптоволокну, его параметры также нужно точно подстраивать. Для природного излучения это практически невозможно. Поэтому физики старались изготовить источник когерентного излучения — лазер.
Основы теории когерентных источников света заложил еще Альберт Эйнштейн, опубликовавший в 1917 году статью «Квантовая теория излучения». В этой статье физик показал, что под действием вынуждающих фотонов молекула испускает когерентное излучение, фаза и направление которого согласовано с фазой и направлением падающих фотонов. Правда, обычно этот эффект пренебрежимо мал по сравнению со спонтанным излучением, в ходе которого возбужденные молекулы самопроизвольно испускают фотоны со случайными параметрами. Именно по этой причине природный свет некогерентен. Чтобы построить лазер, нужно было каким-то образом усилить эффект вынужденной генерации.
К середине 1950-х годов физикам удалось решить эту задачу и построить первый квантовый генератор — аммиачный мазер, который генерировал когерентное микроволновое излучение. За это открытие Николай Басов, Александр Прохоров и Чарльз Таунс в 1964 году получили Нобелевскую премию по физике.
Через несколько лет Теодор Мейнман добился того же эффекта для видимого света, изготовив первый в истории лазер. Этот лазер был основан на кристалле искусственного рубина и работал в импульсном режиме, то есть генерировал излучение только в течение небольшого промежутка времени. Еще через несколько месяцев были разработаны непрерывные газовые лазеры. Однако все эти лазеры были довольно дорогими и громоздкими, а потому перенести их из лаборатории в повседневную жизнь было сложно.
Преодолеть это препятствие помог полупроводниковый лазер, в котором размер области генерации не превышает нескольких микрометров. В основе полупроводникового лазера лежит p-n переход, то есть контакт двух полупроводников с дырочным и электронным типом проводимости.
Напомним, что в n-проводниках заряд переносят отрицательно заряженные квазичастицы-электроны, а в p-проводниках — положительно заряженные квазичастицы-дырки, которые остались после «выдергивания» электронов из электронного «моря». Подробнее про эти квазичастицы можно прочитать в нашем материале «Квантовая азбука: Зоопарк квазичастиц». Когда дырка и электрон сталкиваются, они рекомбинируют и превращаются в фотон. Более того, когда в окрестности такой пары пролетает фотон с нужной энергией, он вызывает вынужденную рекомбинацию, в результате которой рождаются фотон, когерентный исходному фотону.
Устройство полупроводникового диода, основанного на p-n переходе, и его изображение на электрических схемах
Источник