Nuo kosmoso platybių iki kovos su koronavirusu: KTU mokslininkai sukūrė itin jautrius jutiklius, pritaikomus įvairiose srityse

Be infraraudonosios spinduliuotės jutiklių ir prietaisų sunkiai įsivaizduojamas ne tik Žemės stebėjimas iš kosmoso ar tarpplanetinės misijos, tiriant tolimų planetų atmosferas ir ieškant gyvybės pėdsakų Marse. Jie naudojami ir naktinio matymo prietaisuose, pastatų energetinio efektyvumo kontrolės sistemose, optinio ryšio linijose, judesio davikliuose, medicinoje, o šiandien oro uostuose tokių jutiklių pagalba per atstumą matuojama keleivių kūno temperatūra, siekiant nustatyti COVID-19 virusu užsikrėtusius keleivius. Prie šių jutiklių tobulinimo pastaruosius metus dirbo ir Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai.

Neseniai KTU Medžiagų mokslo instituto mokslininkų grupė, kuriai vadovavo vyriausiasis mokslo darbuotojas dr. Šarūnas Meškinis, sukūrė naujus padidinto efektyvumo grafeno ir silicio Šotkio kontakto infraraudonosios spinduliuotės jutiklius.

Š. Meškinio teigimu, Šotkio kontakto jutikliai, palyginus su kitais infraraudonosios spinduliuotės jutikliais, pasižymi gana paprasta gamybos technologija: ant puslaidininkio, pavyzdžiui, silicio, plokštelės gali būti pagamintos ištisos tokių jutiklių matricos. Šotkio kontakto jutikliai yra greitaveikiai.

„Tačiau vienas pagrindinių tokių jutiklių trūkumų – palyginus mažas jautrumas, dėl kurio jie geba paversti fotoelektronais tik nedidelę dalį šviesos dalelių fotonų. Todėl nusprendėme vietoj metalo panaudoti grafeną, taip padidinant šių jutiklių jautrumą“, – teigia projekto „Plazmoniniai grafeno ir silicio Šotkio kontakto infraraudonosios spinduliuotės jutikliai“ vadovas.

Šį KTU mokslininkų vykdytą projektą finansavo Europos kosmoso agentūra (EKA, angl. European Space Agency – ESA).

Jutiklių pritaikymas – nuo meteorologijos iki kosmoso

Šotkio kontakto fotojutikliai gali būti naudojami dirbtiniuose žemės palydovuose, vandens ir sausumos ribų, miško gaisrų, lavos srautų stebėjimui, taip pat meteorologijoje, vandens kiekio augaluose ir dirvoje įvertinimui, geologijoje, optinio ryšio sistemose.

„Kitų planetų tyrimui tokie jutikliai reikalingi atliekant mineraloginius tyrimus, studijuojant atmosferinius reiškinius planetų atmosferose, be to, ieškant galimų gyvybės pėdsakų. Kosmose jie turi daug svarbių taikymų“, – teigia Š. Meškinis.

KTU mokslininkų sukurtų jutiklių galimų taikymų sąrašas labai platus. Anot Š. Meškinio, pirmiausia galvojama apie šių jutiklių pritaikymą optiniams koduotuvams. Optiniai koduotuvai – tai tiksliosios optomechanikos prietaisai, skirti itin mažų poslinkių, atstumų, precizinės mechanikos prietaisų ir jų dalių linijinių bei sukimosi greičių matavimui.

„Kosmose optiniai koduotuvai naudojami lazerinio ryšio terminaluose, antžeminėse optinio palydovinio ryšio stotyse, lazeriniam ryšiui tarp žemose orbitose skriejančių palydovų ir Žemės, kosminių aparatų lazeriniuose lokatoriuose (LIDAR‘uose), palydovuose sumontuotose vaizdo kamerose, kosminiuose teleskopuose“, – vardija Š. Meškinis.

Dėl grafeno jutikliai tampa ženkliai jautresni

Šotkio kontakto jutiklio pagrindinė dalis paprastai yra metalo sluoksnis užaugintas ant puslaidininkio. Metalas, užaugintas ant puslaidininkio, šių medžiagų riboje sukuria elektrinį lauką.

„Metale arba šiame ribiniame sluoksnyje sukūrus fotoelektronus – laisvuosius elektronus, šviesa išlaisvintus iš atomo – jie nėra iš karto sugrąžinami į atomus ir gali būti sukurto elektrinio lauko ištraukti iš ribinio sluoksnio ir sudaryti taip vadinamą fotosrovę, kuri gali būti išmatuota ir panaudota šviesos (įskaitant infraraudonąją spinduliuotę) registravimui bei intensyvumo matavimui“, – tikina Š. Meškinis.

Kadangi įprasti jutikliai geba paversti fotoelektronais tik nedidelę dalį šviesos dalelių fotonų, spręsdami šią problemą mokslininkai nusprendė vietoj metalo panaudoti grafeną ir tokiu būdu padidinti tokių jutiklių jautrumą.

„Dėl itin mažo grafeno storio jame nėra elektronų sklaidos. Todėl beveik visi grafene sukurti fotoelektronai pasieks grafeno ir puslaidininkio ribą tokiu kampu, kad nebus atspindėti atgal į grafeną, o pateks į puslaidininkį. Jutiklyje sukurta fotosrovė bus daug didesnė nei metalo ir puslaidininkio kontakto atveju“, – pastebi Š. Meškinis.

Tačiau čia iškyla kita problema – itin mažas grafeno storis kartu tampa ir jo trūkumu. Vienas grafeno sluoksnis geba sugerti tik 3 procentus jį pasiekusių fotonų.

„Šią problemą išsprendėme formuodami ant grafeno specialius metalinius nanodarinius, taip vadinamus plazmoninius nanostruktūrizuotus sugėriklius. Taip fotojutiklio jautrumas buvo padidintas papildomai“, – paaiškina mokslininkas.

Dar vienas žingsnis į kosmoso technologijų rinką

Nors metalo puslaidininkio Šotkio kontakto jutikliai rinkoje yra jau daugiau nei 30 metų, pasak Š. Meškinio, grafeno ir puslaidininkio Šotkio kontakto fotojutikliai, mokslininkų žiniomis, dar neatkeliavo į pramonę ir nėra gaminami masiniu būdu.

„Mūsų vykdytas projektas – dar viena svarbi detalė į augantį Lietuvoje kuriamų kosminių technologijų rinkinį“, – tikina KTU Medžiagų mokslo instituto mokslininkas.

Lietuva jau ne vienerius metus yra kosmoso technologijų kūrėja, o Lietuvos mokslininkai vykdė ne vieną Europos kosmoso agentūros finansuotą projektą. Veikia sėkmingai dirbančios įmonės, gaminančios nanopalydovus, įvairias palydovinio ryšio sistemas.

„Šiuo metu vienas pagrindinių klausimų yra: kokį tolesnio bendradarbiavimo su Europos kosmoso agentūra scenarijų pasirinks Lietuva ir kada šį pasirinkimą oficialiai patvirtins mūsų šalies vyriausybė“, – sako Š. Meškinis.

Lietuva bendradarbiavimo susitarimą su EKA pasirašė 2010 m. 2014 m. sudarytas Europos bendradarbiaujančios valstybės susitarimas (EBV), 2015 m. – EKA Europos bendradarbiaujančios valstybės plano chartija.