Pendinginan Dengan Cahaya: Pendinginan Optik Solid-State Menggunakan Titik Kuantum

https://www.eurekalert.org/news-releases/1065953

Para peneliti telah mengeksplorasi fenomena pendinginan yang menarik dalam bahan “titik-dalam-kristal” berbasis perovskit halida, mengungkap potensi dan tantangannya.

Dalam sebuah studi inovatif, para ilmuwan dari Universitas Chiba menyelidiki potensi pendinginan optik solid-state melalui titik-titik kuantum perovskit. Inti dari penelitian mereka adalah anti-Stokes photoluminescence, sebuah proses langka di mana material memancarkan foton dengan energi lebih tinggi daripada energi yang diserap. Pendekatan inovatif ini dapat mengubah teknologi pendinginan, menawarkan jalan menuju solusi yang lebih efisien dan hemat energi. Pekerjaan mereka tidak hanya menyoroti potensi besar dari teknik ini tetapi juga mengungkapkan keterbatasan utama yang membuka jalan bagi kemajuan lebih lanjut di bidang ini.

Inovasi dalam Pendinginan Optik Solid-State

Sistem pendingin memainkan peran penting dalam teknologi modern, karena panas berlebih dapat merusak material dan menurunkan kinerja. Namun, metode pendinginan tradisional seringkali merepotkan dan menghabiskan banyak energi. Untuk mengatasi hal ini, para ilmuwan sedang mencari cara inovatif dan efisien untuk menurunkan suhu.

Salah satu pendekatan yang menjanjikan adalah pendinginan optik solid-state, yang mengandalkan fenomena unik yang dikenal sebagai emisi anti-Stokes (AS). Ketika material menyerap foton dari cahaya, elektronnya memasuki keadaan “tereksitasi”. Ketika elektron-elektron ini kembali ke keadaan semula, energi yang dilepaskannya biasanya terbagi antara cahaya dan panas. Pada material yang menunjukkan emisi AS, elektron berinteraksi dengan getaran kisi kristal, yang dikenal sebagai “fonon”, sedemikian rupa sehingga menghasilkan emisi foton dengan energi lebih tinggi daripada energi yang diserap pada awalnya. Jika efisiensi emisi AS mendekati 100%, bahan-bahan ini secara teori dapat menjadi dingin ketika terkena cahaya, bukan memanas.

Penelitian Terobosan dalam Perovskit Quantum Dots

Dalam sebuah penelitian terbaru yang dipublikasikan di jurnal Surat Nanotim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Yasuhiro Yamada dari Sekolah Pascasarjana Sains, Universitas Chiba, Jepang, menyelidiki fenomena ini secara mendalam dalam struktur material berbasis perovskit yang menjanjikan. Tim ini, yang terdiri dari Takeru Oki dari Sekolah Pascasarjana Sains dan Teknik, Universitas Chiba, Dr. Kazunobu Kojima dari Sekolah Pascasarjana Teknik, Universitas Osaka, dan Dr. Yoshihiko Kanemitsu dari Institut Penelitian Kimia, Universitas Kyoto, berupaya untuk menjelaskan fenomena pendinginan optik dalam susunan khusus titik kuantum perovskit (CsPbBr yang sangat kecil₃ kristal) tertanam dalam Cs₄PbBr₆ matriks kristal host (ditunjukkan sebagai CsPbBr₃/ Cs₄PbBr₆ kristal).

“Upaya untuk mencapai pendinginan optik masuk semikonduktor telah menghadapi beberapa kesulitan, terutama karena tantangan dalam mencapai efisiensi emisi hampir 100%, dan pendinginan yang sebenarnya masih sulit dilakukan. Meskipun titik-titik kuantum menjanjikan efisiensi emisinya yang tinggi, titik-titik tersebut terkenal tidak stabil, dan paparan udara serta penerangan yang terus-menerus menurunkan efisiensi emisinya. Oleh karena itu, kami fokus pada struktur stabil yang dikenal sebagai 'titik-dalam-kristal', yang dapat mengatasi keterbatasan ini,” jelas Yamada.

Tantangan dan Solusi dalam Pendinginan Quantum Dot

Penggunaan titik kuantum semikonduktor menghadirkan masalah yang belum terpecahkan. Ketika cahaya menyinari semikonduktor, ia menghasilkan eksiton—pasangan elektron dan “lubang” bermuatan positif. Ketika eksiton bergabung kembali, mereka biasanya memancarkan cahaya. Namun, pada kepadatan eksiton yang tinggi, proses yang disebut rekombinasi Auger menjadi lebih menonjol, dimana energi dilepaskan sebagai panas, bukan cahaya. Dalam titik kuantum semikonduktor, penyinaran dengan cahaya intensitas tinggi sering kali menyebabkan pemanasan, bukan pendinginan, karena proses ini.

Oleh karena itu, para peneliti menggunakan spektroskopi resolusi waktu untuk menentukan kondisi di mana rekombinasi Auger lebih sering terjadi. Eksperimen ini menunjukkan bahwa pemanasan tidak dapat dihindari bahkan pada intensitas cahaya sedang, yang menyiratkan bahwa eksperimen di bawah cahaya intensitas rendah diperlukan untuk mengamati pendinginan optik yang sebenarnya. Sayangnya, pada intensitas rendah, pendinginan optik menjadi kurang efektif. Dalam kondisi terbaik, sampel mereka menunjukkan batas pendinginan teoretis sekitar 10 K dari suhu kamar.

Mengukur Pendinginan Optik Sejati

Fokus lain dari penelitian ini adalah melakukan pengukuran suhu yang lebih andal dibandingkan upaya yang dilaporkan sebelumnya. Untuk mencapai tujuan ini, mereka mengembangkan metode untuk memperkirakan suhu sampel dengan efisiensi emisi tinggi dengan menganalisis bentuk spektrum emisinya. Pendinginan optik yang sebenarnya diamati pada beberapa sampel, dan para peneliti mencatat bahwa transisi dari pendinginan ke pemanasan terjadi seiring dengan peningkatan intensitas cahaya eksitasi.

“Laporan sebelumnya tentang pendinginan optik pada semikonduktor kurang dapat diandalkan, terutama karena kesalahan dalam estimasi suhu. Namun, penelitian kami tidak hanya menghasilkan metode yang andal, namun juga menentukan potensi dan keterbatasan pendinginan optik melalui spektroskopi yang dapat diselesaikan dengan waktu, sehingga menandai pencapaian signifikan di bidang ini,” kata Yamada.

Kesimpulan dan Arah Masa Depan

Studi ini membuka jalan bagi penelitian masa depan yang berfokus pada meminimalkan rekombinasi Auger untuk meningkatkan kinerja pendinginan pengaturan titik-dalam-kristal. Jika pendinginan optik meningkat secara signifikan untuk mencapai penggunaan praktis secara luas, hal ini dapat menjadi landasan bagi beberapa teknologi hemat energi, sehingga berkontribusi terhadap tujuan keberlanjutan global.

Referensi: “Pendinginan Optik Perovskit Halida Dot-in-Crystal: Tantangan Rekombinasi Eksitasi Nonlinier” oleh Yasuhiro Yamada, Takeru Oki, Takeshi Morita, Takumi Yamada, Mitsuki Fukuda, Shuhei Ichikawa, Kazunobu Kojima dan Yoshihiko Kanemitsu, 29 Agustus 2024, Surat Nano.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02885

Yasuhiro Yamada, peneliti terkemuka di Sekolah Pascasarjana Sains, Universitas Chiba, Jepang, telah memberikan kontribusi besar di bidang ilmu material, fisika semikonduktor, dan spektroskopi laser. Karyanya berfokus pada sifat optik dasar dan dinamika rekombinasi pembawa bahan perovskit. Melalui penelitiannya, Prof. Yamada telah meningkatkan pemahaman komunitas ilmiah tentang dinamika eksiton, interaksi elektron-fonon, dan fungsi optik semikonduktor perovskit. Karyanya telah membuka jalan bagi kemajuan dalam optoelektronik, dengan aplikasi praktis dalam teknologi energi dan pendinginan.

Penelitian ini didukung oleh Canon Foundation, International Collaborative Research Program of Institute for Chemical Research, Kyoto University (Grant No. 2023-21), JST-CREST (Grant No. JPMJCR21B4), dan KAKENHI (Grant No. JP19H05465).