Современная радиофизика все дальше углубляется в оптический диапазон, а следовательно, возникает необходимость в создании новых материалов и устройств, способных работать в этом диапазоне. Исследования в данном направлении активно ведутся и в ТГУ.

Дешевле и эффективнее
Квантовые ямы и квантовые точки – человеку, далекому от физики, даже представить сложно, как это выглядит. Но Александр Войцеховский, зав. кафедрой квантовой электроники и фотоники РФФ, терпеливо объясняет:
– Представьте себе, что около тысячи атомов какого-либо вещества собирается в группу размером десять-пятнадцать нанометров в основании пирамиды и один-полтора нанометра в высоту. И такие островки «внедряются» в другое вещество отдельными включениями. Это и можно называть квантовыми точками. А квантовые ямы – это структуры в виде тонких слоев одного вещества, окруженного с двух сторон другим. У нас для создания квантовых точек используется германий, который вводится в кристаллическую структуру кремния.
Научный коллектив, который возглавляет Александр Васильевич, занимается разработкой фотоприемных устройств на основе различных полупроводниковых материалов уже много лет. Ученые кафедры, а также лаборатории оптической электроники СФТИ (зав. – доктор физико-математических наук Андрей Коханенко) выполняли заказы для различных организаций, прежде всего – оборонного комплекса. Но раньше для этого использовались «чистые» материалы, без каких-либо дополнительных включений. А в начале двухтысячных томские радиофизики совместно с коллегами из Института физики полупроводников СО РАН (Новосибирск) начали работу по созданию матричных фотоприемников с использованием нанотехнологий – кремний «наполнили» квантовыми точками.
– Кремний с такими точками имеет особые свойства, спектр поглощения у него гораздо шире, чем у обычного кремния, и он преобразует больше световой энергии в электрическую, – говорит профессор Александр Войцеховский. – Сейчас для солнечных элементов используются многослойные структуры из полупроводниковых материалов – каждый слой для определенного участка длин волн, это достаточно дорогие и трудоемкие технологии. Фотоструктуры с квантовыми включениями обеспечивают достаточно широкий диапазон длин волн, они дешевле и эффективнее.
Сами квантовые структуры выращиваются на сверхвысоковакуумной установке, созданной в ИФП СО РАН, томичи измеряют их характеристики и определяют, как можно их улучшить. Специально для этого томскими учеными была создана криогенная установка, разработаны методики измерений.
Такие фотоприемники могут использоваться в различных устройствах, например, в тепловизорах, предназначенных для получения тепловых изображений объектов в инфракрасном диапазоне. Или для создания фототеплогенераторов – данный проект выполнялся сотрудниками кафедры и лаборатории также совместно с ИФП СО РАН. Эти теплогенераторы можно сооружать, например, вокруг горящих факелов сжигаемого попутного газа. Разрабатываемые учеными наноструктурные солнечные элементы поглощают тепловую энергию факела и преобразуют ее в электрическую.
Проект по созданию солнечных элементов на неорганических полупроводниках, выполняемый под руководством Александра Войцеховского, получил золотую медаль на IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций. Но высокая оценка, к сожалению, не гарантия, что новую технологию тут же начнут внедрять в производство. Наша промышленность слишком неповоротлива, нужны очень большие преимущества новых разработок, чтобы они пришли на смену старым. Поэтому у ученых возникла еще одна «рационализаторская идея» – встроить в фотопреобразователь оптический резонатор, который позволял бы полностью, без потерь, поглощать и преобразовывать свет, что еще больше повысило бы эффективность устройства. Сейчас эта идея воплощается в жизнь совместно с ИФП СО РАН.

На органической основе
Но еще больший успех Александр Васильевич предрекает другому типу наноструктурных фотоприемников – на органической основе. Их можно делать любых размеров, размещать на любых поверхностях, придавать им любую форму, так как основой является органическая пленка, а простая технология изготовления посредством принтерной печати позволит реализовать матричные структуры, что делает такие устройства самым дешевыми в своем классе.
– Возможно, по качеству характеристик они пока несколько уступают неорганическим фотоприемникам, но их дешевизна и удобство в использовании перекрывают этот недостаток, – считает Войцеховский.
Год назад был выигран совместный с ТУСУР и НИИ ПП проект по созданию светоизлучающих устройств на основе органической пленки с наноразмерными включениями. В нем участвуют от ТГУ лаборатория лазерной физики СФТИ (рук. – профессор Татьяна Копылова) и кафедра квантовой электроники и фотоники. Первая занимается непосредственно созданием органических пленочных структур, сотрудники же кафедры обеспечивают измерение и определение их свойств – время жизни, квантовую эффективность, подвижность носителей заряда и так далее. А по результатам измерений даются рекомендации – как нужно изменить технологию, чтобы улучшить эти свойства.
Но у радиофизиков есть и свой «личный» интерес в этой работе.
– Как только мы поставим метрологию органических полупроводников, мы будем знать о материале всю необходимую информацию, и тогда можно будет попробовать использовать его для создания фотоприемников уже на органической основе. Сегодня этой проблемой занимаются немногие, и результаты пока не слишком высокие. Мы же придем в эту тематику с другой стороны – с точки зрения излучающих структур, то есть исследуем спектры излучения светодиодов, а излучающий и поглощающий процессы – взаимообратимы. Поэтому надеемся на успех.

* * *
В общей сложности по направлению, связанному с созданием и измерением фотоприемных структур, за последние годы было выиграно восемь грантов, в том числе по ФЦП «Кадры» и «Приоритетные направления». В результате был создан НОЦ «Функциональные материалы радио– и оптоэлектроники», в который вошли кафедра квантовой электроники и фотоники РФФ и лаборатория оптической электроники СФТИ, закуплены новая технологическая установка по выращиванию наноструктур и современная измерительная аппаратура. Активное участие в его работе принимают студенты и аспиранты. Многие из них зачислены в штат лабораторий СФТИ, участвуют в проектах и конференциях, выигрывают стипендии. Интерес у молодежи к этому направлению не ослабевает.
– Думаю, что, в конечном счете, будущее развитие высоких технологий связано с оптическим диапазоном, который обладает большей информационной емкостью. Поэтому наши специалисты будут востребованы, – уверен профессор Войцеховский.

Наталья Шарапова