Lietuvių kosmoso technologijos
Pa­ly­do­vams pri­tai­ky­ti sau­lės ele­men­tai nau­jos me­džia­gos ga­lio ar­se­ni­do bis­mi­dų pa­grin­du ir nau­jos kar­tos la­ze­riai, lei­džian­tys už­fik­suo­ti me­ta­no du­jų san­kau­pas ar ang­lies dvi­de­gi­nio kie­kį ir ste­bė­ti už­terš­tu­mą Že­mė­je, – to­kias pa­žan­gias kos­mo­so tech­no­lo­gi­jas ku­ria Fi­zi­nių ir tech­no­lo­gi­jos moks­lų cen­tro (FTMC) ty­rė­jai, va­do­vau­ja­mi prof. Arū­no Krot­kaus.

„Visas džiaugsmas šioje veikloje, kad sugalvota idėja pasitvirtina, ir ne taip svarbu – kosmoso ar medicinos srityje, – sakė „Lietuvos žinioms“ FTMC Optoelektronikos skyriaus vadovas. – Gamtoje tokių bismidų juk nėra. Tik metalas bismutas.“

Dar 2006 metais prof. A. Krotkaus grupei pavyko sukurti naują medžiagą – galio arsenido bismidą. Puslaidininkių medžiagų ir darinių, skirtų terahercų diapazono optoelektronikos prietaisams, tyrimai 2008 metais įvertinti Lietuvos mokslo premija.

FTMC Optoelektronikos skyriaus mokslininkai konkuruoja su maždaug dešimt pažangiausių pasaulio laboratorijų, dirbančių bismidų technologijos srityje, ir yra terahercinių komponentų bismidų pagrindu lyderiai pasaulyje. Įkurtas startuolis „Teravil“ gamina įvairias terahercinio dažnio spektroskopines sistemas, kuriomis naudojasi ir kitų šalių mokslininkai.

Pažangiam taikymui

Su Europos kosmoso agentūra FTMC Optoelektronikos skyriaus tyrėjai pradėjo bendradarbiauti 2014 metais, kai buvo paskelbtas pirmasis šaukimas teikti projektus. Pirmas projektas, vadovaujamas prof. A. Krotkaus, buvo skirtas sukurti infraraudonosios srities detektorius ir palydovams pritaikytus saulės elementus galio arsenido bismidų pagrindu.

Per antrojo šaukimo projektą, įgyvendinamą nuo 2016 metų, dr. Renatos Butkutės vadovaujami mokslininkai kuria infraraudonųjų spindulių šaltinius, lazerius arba lazerinius diodus, generuojančius nuo 1,2 iki 3,5 mikrono bangos ilgio spinduliuotę ir reikalingus jutikliuose kaip vienas komponentų užfiksuoti, pavyzdžiui, metano dujų sankaupas ar anglies dvideginio kiekį. Šią technologiją bus galima įdiegti palydovų sistemose ir stebėti, koks yra užterštumas Žemėje.

Infraraudonųjų spindulių šaltiniai taip pat tinkami odos vėžio profilaktikai, nes 1,5 mikrono bangos ilgiu įsiskverbia į odą ir gali užfiksuoti, ar yra pakitimų. Odos vėžio atvejais jie dažnai siejami su vandens kiekio pokyčiu.

Kaip pabrėžė dr. R. Butkutė, abu projektai yra pažangaus taikymo dalelės. Pirmojo projekto detektorius ir antrojo projekto šaltinis, įkomponuoti į vieną jutiklį, padėtų nustatyti, pavyzdžiui, analizuojant iškvėptas dujas, ar nėra nukritęs hemoglobino ar pakilęs leukocitų lygis. Padidėjęs iškvepiamo anglies dvideginio kiekis gali parodyti prasidėjusią astmą, o acetono pagausėjimas gali būti susijęs su kepenų problemomis. Tokios profilaktinės, neinvazinės patikros rezultatus gydytojas galėtų vėliau siųsti atlikti tolesnius tyrimus.

Du firminiai patiekalai

Prof. A. Krotkaus grupei neblogai sekasi laimėti ir Europos Sąjungos bendrosios programos projektus. Nuo 1994 metų dalyvavo 15 projektų. Daugiausia Lietuvoje.

„Mūsų du firminiai patiekalai: terahercai ir galio arsenido bismidai, jų technologijos, – sakė mokslininkas. – Puslaidininkinis galio arsenidas yra pagrindinė medžiaga optoelektronikai. Šiaip pagrindinis puslaidininkis yra silicis. Kai buvau jaunas, vienas puslaidininkių fizikos klasikas sakė, kad kiekvienas, dirbantis su kita nei silicis medžiaga, yra lunatikas.

Jei visus kompiuterių ar telefonų lustus, pagamintus iš silicio, sudėtume vieną šalia kito, per metus susidarytų apie tūkstantį hektarų plotas. O tokių optoelektronikos puslaidininkių kaip galio arsenidas ar indžio fosfidas užklotas plotas būtų maždaug 20 kartų mažesnis. Ir tai neskaičiuojant daugiausia iš silicio gaminamų saulės elementų.“

Dr. Renata Butkutė ir dr. Vaidas Pačebutas prie molekulinių pluoštelių epitaksijos įrangos, naudojamos auginti naujai medžiagai - bismidams.Romo Jurgaičio nuotrauka

Galio arsenidas yra brangesnis, bet daro tai, ko negali silicis, neturintis savybės spinduliuoti šviesą. Į galio arsenidą įterpiant bismuto, galima keisti bangos ilgį ir padaryti tokį, kokio reikia prietaisui. Galio arsenido bismido mažiau ir reikia. Saulės elementai iš silicio apie 15 proc. saulės energijos paverčia į šviesą, o iš galio arsenido – apie du kartus daugiau. Todėl juos ir siekiama pritaikyti palydovams.

„Padarytas toks sumuštinis iš įvairių puslaidininkinių medžiagų sluoksnių, – pasakojo FTMC Optoelektronikos skyriaus vadovas. – Mūsų tikslas buvo sukurti vieną jo sluoksnį, turintį tokių savybių, kad sugaudytų saulės spektro šviesos dalį, kurios nesugaudo ankstesni elementai. Tada efektyvumas padidėja iki 40 proc. ir daugiau.“

Pirmieji pasaulyje

Prof. A. Krotkaus vadovaujamiems mokslininkams pirmiesiems pasaulyje 2006 metais pavyko įterpti tiek bismuto – apie 10 proc. – į galio arsenidą, kad buvo galima tikėtis sukurti puslaidininkinį lazerį, kuris veiktų optinio ryšio bangos ilgiu ir būtų labai efektyvus. Po tokio proveržio lietuvių tyrėjai iš karto buvo įtraukti į tarptautinį projektą ir toks lazeris buvo sukurtas, nors iki optinio ryšio bangos ilgio dar trūksta.

Pasaulyje kasmet vyksta simpoziumai bismidų tema. Penkiuose iš aštuonių FTMC mokslininkai skaitė pagrindinius kviestinius pranešimus.

FTMC Optoelektronikos skyriaus vadovas prof. Arūnas Krotkus (kairėje), antram Europos kosmoso agentūros projektui vadovaujanti dr. Renata Butkutė ir Optoelektronikos technologijų laboratorijos vadovas dr. Vaidas Pačebutas. Romo Jurgaičio nuotrauka

„Esame bismidų klasikai, – pripažino prof. A. Krotkus. – Pora mūsų straipsnių – labiausiai cituojamų šios tematikos publikacijų dešimtuke. Mūsų tikslas – kurti terahercinio dažnio spektroskopines sistemas. Pasaulyje naudotos tokios sistemos su dideliais lazeriais, o taikymo sritis gana paprasta – tirti įvairias chemines medžiagas, pavyzdžiui, per patikras oro uostuose ar atliekant saugos tyrimus. Yra ir mažų, šviesolaidinių lazerių, turinčių panašias charakteristikas, tokius jau gamina ir Lietuvoje, tačiau jie spinduliuoja ne tą bangos ilgį. Jis ilgesnis nei gali užregistruoti iš kitų puslaidininkių pagaminti komponentai. Todėl ir pasirinkome bismidus, kad mums tiktų gaminti puslaidininkinius komponentus terahercų sistemoms.“

Traukia sugrįžti

Bismidams auginti naudojama molekulinių pluoštelių epitaksijos įranga, kainavusi 2,5 mln. eurų. FTMC mokslinė bazė paliko gerą įspūdį ne tik Europos kosmoso agentūros atstovams, apsilankiusiems šią vasarą. Užsienio kolegos taip pat sakė, kad FTMC jaučiasi kaip puslaidininkių pramonės korporacijoje.

Prof. A. Krotkus prisiminė, kad dar sovietmečiu, lygiai prieš 30 metų, pirmą kartą išleistas į Vakarus, buvo nustebintas Švedijos laboratorijų teikiamų galimybių. Per du mėnesius Stokholme parengė net dvi mokslines publikacijas. O šį pavasarį ir vasarą FTMC Optoelektronikos skyriuje darbavosi kolegos švedai, atvykę daryti eksperimentų į Vilnių, nes neturi tokios matavimo įrangos ir svarbiausia – tokios patirties terahercinio dažnio ruožo spektroskopijos srityje.

Prof. Arūno Krotkaus vadovaujami mokslininkai konkuruoja su maždaug dešimt pažangiausių pasaulio laboratorijų, dirbančių bismidų technologijos srityje, ir yra terahercinių komponentų bismidų pagrindu lyderiai pasaulyje.

Prieš kelias savaites prof. A. Krotkaus doktorantas Ignas Nevinskas, Bristolio universitete, Jungtinėje Karalystėje, baigęs magistrantūros studijas, apgynė FTMC per trejus metus parengtą daktaro disertaciją. Prof. A. Krotkus iš viso vadovavo 16 doktorantų. Šiuo metu FTMC Optoelektronikos skyriuje trys jaunieji tyrėjai atlieka podaktarinę stažuotę.

Jau antri metai lietuviai studentai iš Anglijos grįžta į Lietuvą FTMC Optoelektronikos skyriuje atlikti vasaros praktikos. Kai kurie jau planuoja čia tęsti ir doktoratūros studijas.

Pastaraisiais metais vis daugiau jaunųjų mokslininkų grįžta iš užsienio dirbti FTMC. Kaip patikino FTMC Optoelektronikos skyriaus vadovas prof. A. Krotkus, projektų tyrėjams čia nepritrūks.