Фотодетекторы, разработанные учеными Туркменистана, находят применение от авиации до медицины
В эпоху могущества и счастья уважаемый Президент Туркменистана Гурбангулы Бердымухамедов пристальное внимание уделяет развитию в стране системы образования и науки на мировом уровне, использованию высокоразвитых технологий, в том числе и нанотехнологии. Нанотехнология всё глубже проникает в различные области науки и техники, такие, как информационная технология, медицина, физика, химия, материаловедение, биология, биотехнология, экология и т.д. Возникновение нанотехнологии означает качественно новый скачок в философии получения практически важных веществ, устройств, невидимых простым глазом и различимых лишь с использованием современных электронных микроскопов. Во всем мире происходит своеобразная нанотехнологическая ревалюция. Сейчас уже все – от школьника и студента до академика – осознают то стратегическое, предопределяющиее значение, которое имеет это приоритетное направление науки и техники, открывающее воистину новые, фантастические преспективы. Можно с уверенностью сказать, что XXI век будет веком наноматериалов и нанотехнологий.
Нанотехнологии – совокупность методов и приемов, применяемых при изучении структур, устройств и систем, включающих целенаправленный контроль и модификацию формы, размера, интеграции и взаимодействия составляющих их наномасштабных элементов (1-100 нм; 1нм = 10-9 м) для получения объектов с новыми химическими, физическими и биологическами свойствами.
Широкий интерес к нанотехнологии объясняется, во-первых, появлением принципиально новых методов диагностики наноразмерных (1-100 нм) объектов (туннельная и атомно-силовая микроскопия). Во-вторых, осознанием того, что наноматериалы обладают специфическими магнитными, электрическими, оптическими и др. свойствами, связанными с проявлением квантовых эффектов. В третьих, открывается путь к миниатюризации технических устройств и огромной экономии ресурсов. Наноматериалы уникальны тем, что в них вещество находиться в особом, «наноразмерном», состоянии. Изменения основных характеристик обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты имеют место при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и т.д). Характерной особенностью наночастиц является также отсутствие структурных дефектов. Это делает, в частности, полупроводниковые наночастицы идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов, в том числе фотодетекторов оптического излучения.
В последние годы во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам разработки нанотехнологий и созданию твердотельных наноструктур. Наноструктуры – блестящий пример быстрых приложений фундаментальных научных исследований. Наноструктурированные диоды Шоттки металл-полупроводник, металл-диэлектрик (оксид) – полупроводник (МДП) используются как фотодетекторы видимого и ультрафиолетового излучения (λ=780-200 нм, hν=1.6-6.2eV).
Большое внимание уделяется контролю ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца и искусственных источников в связи с актуальными проблемами медицины, биологии и экологии, в частности проблемой «озонной дыры».
В настоящее время в мире ведутся работы по созданию полупроводниковых фотодетекторов для ультрафиолетовой области спектра в связи с требованиями:
- помехоустойчивой УФ-локации (например, для регистрации пламени ракет в дневное время);
- экологии (например, для контроля «озонной дыры» над Землей);
- биотехнологии (синтез витаминов D2и D3);
- медицины (физиотерапия, аутотрансфузия крови, профилактика простудных заболеваний, защита от канцерогенного излучения).
В традиционных полупроводниковых фотодетекторах, предназначенных для измерения ультрафиолетового излучения в диапазоне 200-400 нанометров (нм) наблюдается резкий спад фоточувствительности при 250-315нм. Это создает проблемы для их использования в экологии, биологии и других отраслях народного хозяйства.
Проблемой повышения фоточувствительности полупроводниковых фотодетекторов УФ диапазона спектра занимаются ученые многих ведущих научных центров мира в США, Японии, России, а также и в Туркменистане. Многолетний накопленный опыт исследований в этом направлении позволил научным сотрудникам института солнечной энергии Академии наук Туркменистана под руководством автора этой статьи создать более эффективный фотодетектор ультрафиолетового излучения экологического диапазона (280-400 нм) на основе МДП наноструктур.
Основная особенность нового УФ фотодетектора заключается в том, что между металлом (Аu) и полупроводником (GaP)создан диэлектрический (оксидный)Ga2O3(Fe) нанослой толщиной не более 3-5 нанометров, с шириной запрещенной зоны – не менее 5,0 электрон-вольт (eV). В данной конструкции МДП фотодетектора (Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP) оксидный слой Ga2O3(Fe) по данным исследований морфологии и структуры на электронных микроскопах имеет специфическую особенность. В нем обнаружены нанопроволки с участием оксида железа (Fe2O3), диаметр которых составляет 25-45 нм, а длина достигает 10-12 мкм. Поэтому в GaP МДП наноструктуре могут существовать несколько новых механизмов переноса носителей через слой Ga2O3(Fe). В GaP МДП наноструктурахинтервале 5,0-6,1 eVвпервые обнаружен рост фоточувствительности, так как коротковолновое УФ излучение сильно поглощается в нанопроволоках и оксидный слой Ga2O3(Fe) участвует в создании дополнительного фототока, и в результате появляется гигантская фоточувствительность фотодетектора.
Отделом «Наноматериалов и оптоэлектроники» Института солнечной энергии предлагаются фотодетекторы нового типа, созданные на основе наноструктур метал-диэлектрик (оксид)- полупроводник (Au-Ga2O3(Fe)-n-GaP), для измерения интенсивности и дозы солнечного УФ излучения экологического диапазона (λ=280-400 нм). Фотодетектор с измерительным устройством регистрирует плотность потока УФ излучения в интервале 10-4-102 Вт/м2. Прибор имеет малые габариты, не требует внешнего питания, позволяет точно и быстро регистрировать интенсивность УФ излучения Солнца, достигающего поверхности Земли.
Полученные результаты научных исследований, связанные с новым УФ фотодетектором разработанным на основе МДП наноструктур были опубликованы в передовых научных изданиях мира, в том, числе в журнале “Japan Journalof AppliedPhysics”, “EpitaxialChrystal growth”, российские журналы «Физика и техника полупроводников», «Журнал технической физики», «Письма в ЖТФ», «Физика твердого тела», инженерный журнал «Нанотехника» и многих других.
Разработки ученых института Солнечной энергии Академии наук Туркменистана имеют довольно обширную область применения, в особенности в тех сферах, где есть необходимость измерять УФ излучение -от экологии, энергетики, астрофизических и космических исследований до медицины и биотехнологий.
Технология УФ фотодетектора, разработанная учеными Туркменистана, была внедрена в различных сферах за рубежом, включая отделение Московского авиационного института в Батуми, в метеорологической лаборатории Московского государственного университета, в институте цитологии, в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН Санкт-Петербурга, в институте Космических исследований в Москве.
Изучение влияния ультрафиолетовых лучей на организм человека имеет особую важность в Туркменистане. Под воздействием УФ излучения в организме возникают различные фотохимические процессы, что приводит к образованию биологически активных веществ и поступлению их через кровоток в ткани и органы. В оптимальной дозе ультрафиолетовое излучение оказывает ряд позитивных эффектов: в организме образуется витамин D, улучшаются дыхание, кровообращение и в целом оказывается благоприятное влияние на эндокринную и нервную системы и, наоборот, переоблучение может привести к негативным последствиям. Эту проблему и позволяет решить фотодетектор, разработанный туркменскими учеными.
Разработанные и созданные УФ фотодетекторы на основе МДП наноструктур могут найти широкое применение в экологическом приборостроении и практической медицине. Дальнейшее усовершенствование измерительной части прибора в виде интегральной микросхемы и цифровой индикации позволяет расширить сферу применения прибора в различных областях науки и техники, а также, увеличить конкурентоспособность прибора на мировом рынке.
Довулбай Мелебаев,
Заведующий отдела Института Солнечной энергии
Академии наук Туркменистана
