Цивилизация
Ученые из Санкт-Петербурга создали дешевый, высокочувствительный и быстродействующий терагерцовый детектор на основе термоэлектрических пленок. В перспективе изобретение будет широко использоваться в медицине, в сфере обороны, например для обнаружения скрытого оружия, и в других практических областях. Статья была опубликована в журнале Photonics при поддержке Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Терагерцовое излучение имеет широкий спектр практических применений — от биомедицины до систем безопасности. Оно обладает уникальной способностью проникать во многие материалы и получать их особенный «спектральный портрет» через упаковку — например, бумагу или пластик — что позволяет находить вредные или запрещенные вещества в почтовых конвертах, а также контрабанду в багаже. Кроме того, в отличие от рентгеновского, терагерцовое излучение не ионизирующее, а значит, не наносит вреда тканям организма. Это делает его перспективным для медицинской диагностики — в том числе и для поиска раковых опухолей. Также исследования показывают, что с использованием терагерцовых волн может вырасти скорость передачи данных в Wi-Fi-системах.
Однако сегодня этот диапазон остается недостаточно изученным, а хороших устройств, которые бы работали в нем, почти нет. Особенно трудно создать приборы, которые показывали бы хорошую чувствительность в обычных условиях: на высокочастотную область терагерцового излучения приходится и тепловое излучение предметов комнатной температуры, из-за чего одно очень сложно отделить от другого.
«Существующие детекторы основаны на измерении теплового возбуждения поверхности. Несмотря на многие недавние достижения в области технологии терагерцовых датчиков, самые быстрые из них имеют низкую чувствительность, а самые чувствительные, как правило, медленные. Одна из основных задач этого исследования — поиск новых термоэлектрических материалов с высокой чувствительностью к терагерцовому излучению при комнатной температуре. Тогда не придется использовать дорогое и сложное охлаждающее оборудование», — объясняет руководитель по гранту РНФ Михаил Ходзицкий, один из авторов статьи, кандидат физико-математических наук, руководитель лаборатории «Терагерцовая биомедицина», доцент-исследователь факультета энергетики и экотехнологий Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.
Для своего эксперимента авторы создали тонкие термоэлектрические пленки на основе висмута (Bi) с разной концентрацией сурьмы (Sb), а затем исследовали их под воздействием терагерцового излучения. Поглощение терагерцового излучения материалом приводило к увеличению концентрации носителей заряда и изменению напряжения между контактами на термоэлектрической пленке, которое регистрировали вольтметром. Для усиления терагерцового отклика в пленке с помощью лазерной гравировки предварительно вырезалась специальная поверхность в виде крестообразных резонаторов.
Настоящая разработка — многообещающая, компактная и недорогая альтернатива существующим датчикам. Полученный терагерцовый детектор действует довольно быстро: время отклика меньше десяти миллионных долей секунды. Также его легко настроить под нужную частоту обнаружения, поэтому он может использоваться для разных диапазонов. Это окажется полезным для устройств беспроводной связи нового поколения, которые основаны на передаче терагерцовых сигналов.
