Šiemet net 3 iš 15 Mokslo premijų gavo optoelektronikos, daugelyje šalių tampančios prioritetine tyrimų kryptimi, srityje dirbantys mokslininkai.
„Esu girdėjęs gerą apibrėžimą, kad mokslas yra fundamentinis, taikomasis ir nepritaikomas. Daug mūsų mokslo dar nuo sovietinių laikų yra būtent iš tos trečiosios srities, - įsitikinęs prof. Arūnas Krotkus. - Mes nutarėme padaryti ką nors, kas būtų ne tik pritaikoma, bet ir parduodama.“
Puslaidininkių fizikos instituto (PFI) mokslininkai A.Krotkus, Klemensas Bertulis, Ramūnas Adomavičius, Vaidas Pačebutas ir Andrejus Geižutis už puslaidininkių medžiagų ir darinių, skirtų terahercų diapazono optoelektronikos prietaisams, 1997-2007 metų tyrimus apdovanoti Lietuvos mokslo premija.
Šiemet net tris iš 15 Mokslo premijų gavo kaip tik optoelektronikos srityje dirbantys mokslininkai - be A.Krotkaus grupės, JAV lietuvis Remigijus Gaška su Vilniaus universiteto fizikais Sauliumi Juršėnu, Edmundu Kuokščiu ir Gintautu Tamulevičiumi bei Kauno technologijos universiteto mokslininkas Juozas Vidas Gražulevičius.
Optoelektronika yra mokslo ir pramonės šaka, grindžiama puslaidininkių gebėjimu versti šviesos signalus elektriniais, o elektrinius - šviesos signalais. Daugelyje pasaulio šalių optoelektronika tampa prioritetine kryptimi. Jos sparčią plėtrą lemia didžiulė pažanga puslaidininkių inžinerijos srityje.
Už milijoną „baksų“
„Jau seniai tyrinėjame ypač greitus procesus puslaidininkiuose, - pasakojo PFI Optoelektronikos laboratorijos vedėjas A.Krotkus. - Kai rengiau diplominį darbą, tie procesai buvo matuojami mikrosekundėmis, t. y. milijoninėmis sekundės dalimis. Po kandidatinės disertacijos juos tyrinėjau jau nanosekundėmis - milijardinėmis sekundės dalimis. Vėliau buvo dar tūkstantį kartų trumpesnės pikosekundės. Dabar femtosekundės - milijoninės milijardinės sekundės dalys. Šviesa, kuri už viską yra greičiausia, per vieną femtosekundę nukeliauja apie trečdalį mikrono.“
Sovietmečiu, kai žinių programa „Vremia“ („Laikas“) transliuodavo siužetą apie mokslą, televizoriaus ekrane būtinai pasirodydavo baltu chalatu apsivilkęs mokslininkas, stovintis prie tokio didelio, blizgančio, kaip juokavo prof. A.Krotkus, burbulo su daugybe tokių pat blizgančių pagalių. Šis vienas pirmųjų SSRS pagamintų molekulių pluoštelio epitaksijos įrenginių (angl. „Molecular Beam Epitaxy“ - MBE) mokslininkų žargonu buvo vadinamas aparatu už milijoną „baksų“. Tiek jis kainavo.
Būtent su šia sena sovietine įranga apie 1993 metus PFI mokslininkai, įsitraukę į visame pasaulyje aktualius žematemperatūrio (žema temperatūra yra 200 laipsnių Celsijaus) galio arsenido tyrimus, pasiryžo auginti sudėtingiausius puslaidininkinius darinius.
Sovietinis MBE klibėdamas veikia ir dabar, tačiau juo, pasak Optoelektronikos laboratorijos vedėjo, gali dirbti tik vienas žmogus - dr. K.Bertulis. Jaunimo jau nebeįmanoma išmokyti: vieną dieną įrenginys veikia, bet netrukus kas nors sulūžta ar perdega, reikia vėl remontuoti. Tačiau kad ir kaip būtų, jis užaugina mikrono storio puslaidininkių sluoksnį, turintį labai konkrečių savybių.
„Įrenginyje yra didžiulis vakuumas, palyginti su atmosferos slėgiu, milijoną milijonų kartų išretintas. Kitaip tariant, atmosferoje molekulė su molekule susiduria maždaug kas mikrometrą, o sklisdamos tame vakuume - kas 700-800 kilometrų. Jų tiek mažai, - pasakojo K.Bertulis. - Bet koks objektas, net ir labai švari, specialiai parengta puslaidininkinė plokštelė pasidengia adsorbuotu (t. y. tik prilipusiu, ne absorbuotu) dujų monosluoksniu. Puslaidininkines sluoksnines struktūras turime gaminti ant atomiškai švarių paviršių, t.y. tą monomolekulinį ar bimolekulinį sluoksnį turime pašalinti. Todėl ir reikalingas vakuumas: ore nuvalytas paviršius išsilaikytų švarus maždaug vieną tūkstantąją sekundės dalies, o vakuume - apie aštuonias valandas.“
Perkamos pasaulyje
Nuo 1998 metų PFI Optoelektronikos laboratorija kartu su prancūzų, lenkų ir švedų mokslininkais įgyvendino Europos Bendrijos finansuojamą projektą. Kolegos užsieniečiai tyrė būtent Vilniuje užaugintus darinius.
„Atlikti matavimų važiuodavome į tų šalių laboratorijas, nes patys neturėjome kuo matuoti, - prisiminė A.Krotkus. - Tarptautinio bendradarbiavimo rezultatai priklausė visiems, o mūsų laboratorijai teko ir kai kas daugiau - sukurta ir gerai patikrinta žematemperatūrio galio arsenido sluoksnių technologija. Turėdami ją, ryžomės kurti terahercų diapazono prietaisus.“
2002-2006 metais PFI Optoelektronikos laboratorija įgyvendino NATO projektą. Projektui skirtas milijonas litų, todėl buvo galima gerokai atnaujinti eksperimentinę bazę, įsigyti tokį patį femtosekundinį lazerį, kokius naudoja visos terahercų spinduliuotę tiriančios mokslinės grupės pasaulyje.
„Dabar lazeriai generuoja labai trumpus impulsus, o elektronika nesuspėja tokių trumpų elektrinių impulsų generuoti. Tačiau galima generuoti taip, - pasakojo mokslininkas. - Prijungi įtampą prie prietaiso, padaryto iš tokios medžiagos, kur elektronai labai trumpai gyvena, pašvieti lazeriu - jie greitai susikuria ir labai greitai, per pikosekundes, išnyksta.“
Tokių trumpų elektrinių impulsų neatskirsi nuo infraraudonosios šviesos. Jiems nereikia jokių kabelių - sklinda oru laisvai kaip šviesa. Be to, terahercų diapazone nėra kitų šaltinių, kurie generuotų šviesą, ir detektorių, kurie registruotų impulsus.
Optoelektronikos laboratorijoje ir kuriami tokie įtaisai. Jų labai reikia, nes terahertzų diapazone daugelis sudėtingesnių organinių medžiagų, pavyzdžiui, vaistai, maisto produktai, sprogmenys ar narkotikai, turi labai charakteringus savo pėdsakus, tik tai medžiagai būdingas spektrines linijas.
„Vienoje pusėje yra lęšis, kuris siunčia spinduliuotę, o kitoje pusėje ji priimama. Spinduliuojamas gana plataus spektro signalas, kuriame yra daug įvairių dažnių. Jei ką nors į tą tarpą įdedi, tie dažniai sugeriami, o juk kiekviena iš tų medžiagų turi skirtingus, tik jai būdingus dažnius, - kuo paprasčiau aiškino fizikas. - Tokio optoelektronikos įtaiso esmė - nedidelis puslaidininkio gabaliukas. Jį reikia padaryti iš medžiagos, kuri duotų stiprų signalą ir greitai išsijungtų.“
Prieš daugiau nei metus PFI mokslininkų įsteigta įmonė „Teravil“ jau pardavinėja tokias sistemas, sudarytas iš imtuvo, siųstuvo, optikos ir elektronikos įrenginių, o kartais ir lazerio. Iš viso parduota tik keliolika sistemų visame pasaulyje: penkios Kinijoje, trys Singapūre, kitos - JAV, Kanadoje. Pasak A.Krotkaus, tai nemažai, nes sistemos yra nepigios, o atskirų prietaisų parduota apie pusantro šimto. Kompaktiškai sudėta visa sistema yra kvadratinio metro dydžio. Jei jos būtų mažesnės, pigesnės ir paprasčiau naudojamos, tokių sistemų pasaulyje reikėtų ir daugiau. Kol kas jas perka daugiausia mokslinės laboratorijos, nors, pavyzdžiui, Kanadoje, Vankuverio „Honeywell“ gamykloje, tokia sistema tikrina popieriaus drėgmę.
Pionieriška gabi
Norint padaryti mažesnę sistemą, reikia kito bangos ilgio lazerio. Tokius gamina „Šviesos konversija“ Vilniuje. Mažiukas lazeris nusipirktas jau už Mokslo ir studijų fondo Aukštųjų technologijų plėtros programos lėšas. Prieš dvejus metus pradėtam lietuviškam projektui iš viso bus skirta apie milijoną litų per trejus metus.
Didesnio bangos ilgio ir mažesnio lazerio imtuvui reikėjo ir kitos, naujos medžiagos. Tokių medžiagų nebuvo. PFI mokslininkai ją sukūrė ir 2006 metais svarbiausiame taikomosios fizikos srities žurnale „Applied physics letters“ paskelbė pirmą straipsnį. Per maždaug dvejus metus jis buvo cituojamas 17 kartų.
„Paprastai naudojamas tik galio arsenidas, bet jis nereaguoja į didesnio bangos ilgio spinduliuotę ir jo negalima taikyti su naujuoju lazeriu. O kai pridedi tris procentus bismuto, gerai reaguoja. Toks mūsų pionieriškas laimėjimas, nes tos medžiagos niekas iki mūsų nebuvo bandęs taip panaudoti, - pasakojo Optoelektronikos laboratorijos vedėjas. - Japonai 2002 metais jau buvo bandę ją auginti, bet nesugebėjo pridėti tiek bismuto, kiek reikia. Mūsų triukas - kaip tai padaryti.“
Mokslininkai naująją medžiagą pavadino gabi ir rengiasi patentuoti kelių sluoksnių medžiagų darinį su ja. Dr. V.Pačebutas jau pateikė projektą, susijusį būtent su gabi, nes Optoelektronikos laboratorija turi daug idėjų, kaip galima taikyti naująją medžiagą ne tik terahercų diapazono technikai, bet, pavyzdžiui, ir optiniam ryšiui. Neseniai sužinota, kad Mokslo ir studijų fondas skirs finansavimą naujajam projektui.
Šimtąkart galingiau
Dabar pasaulyje intensyviai plėtojamos praskiestųjų galio nitridų bismidų technologijos. Gali būti, kad net efektyvūs saulės elementai bus gaminami su bismidu. Didžiosios Britanijos mokslininkų iniciatyva įkurtas pasaulinis bismidų tinklas. Lietuviai iš karto buvo pakviesti dalyvauti jame. Bismidų sekcija bus įsteigta ir šią vasarą Vilniuje vyksiančioje tarptautinėje puslaidininkių ir nelaidžių medžiagų konferencijoje.
Liepos mėnesį PFI Optoelektronikos laboratorijoje sovietinį MBE įrenginį turėtų pakeisti naujas, amerikietiškas. Pasak A.Krotkaus, ne visų didžiausias, tik pusantro milijono litų kainuojantis, bet nešiojamasis. Jį tikimasi vežtis ir į Saulėtekio mokslo slėnį, kai ten galų gale iškils naujieji pastatai, jei dar kartą mokslo reforma nebus užvilkinta.
„Vykdydami lietuvišką projektą, iš gabi sukūrėme detektorius ir imtuvus. Atrodo, kad jie generuoja maždaug šimtą kartų didesnę galią negu kas nors iki šiol, - pasakojo Optoelektronikos laboratorijos vedėjas. - Nelabai pasitikėjome gautu rezultatu, todėl išsiunčiau kelis prietaisus į Ameriką, kad ten jie būtų patikrinti šios srities lyderio prof. Xi-Cheng Zhango laboratorijoje ir dar Sandijos nacionalinėje laboratorijoje patvirtinta, kad niekas kitas pasaulyje tokios galios nepasiekė. Jei pasitvirtins, kad mes teisūs, daug kam reikės tokių prietaisų.“
Milda Kniežaitė
