Российские ученые повысили чувствительность детектора терагерцевого излучения, искусственно деформировав его структуру. На основе такого устройства можно разработать новые системы терагерцевой спектроскопии высокого разрешения, позволяющие проводить быстрый и неразрушающий анализ вещества. Также оно может лечь в основу новейших разработок в области персонализированной медицины и связи 5,5 и 6G. Исследования поддержаны грантом президентской программы Российского научного фонда.
Коллектив авторов исследования. Слева направо: Денис Лаврухин, ИСВЧПЭ РАН, МГТУ им. Н. Э. Баумана; Дмитрий Пономарев, ИСВЧПЭ РАН, ИОФ РАН; Александр Ячменев, ИСВЧПЭ РАН; Никита Черномырдин, ИОФ РАН им. А. М. Прохорова; Игорь Глинский, ИСВЧПЭ РАН
Фото: Дмитрий Пономарев
Коллектив авторов исследования. Слева направо: Денис Лаврухин, ИСВЧПЭ РАН, МГТУ им. Н. Э. Баумана; Дмитрий Пономарев, ИСВЧПЭ РАН, ИОФ РАН; Александр Ячменев, ИСВЧПЭ РАН; Никита Черномырдин, ИОФ РАН им. А. М. Прохорова; Игорь Глинский, ИСВЧПЭ РАН
Фото: Дмитрий Пономарев
Терагерцевое излучение — один из видов электромагнитного излучения, спектр частот которого находится между инфракрасным и микроволновым. В этот диапазон попадают спектры излучения астрономических объектов, сложных органических молекул, например белков и ДНК, некоторых взрывчатых веществ, соединений—загрязнителей атмосферы. Оно позволяет «просвечивать» предметы, как и рентгеновское, но в отличие от него безвредно для человеческого организма. Это позволяет применять его в медицине, материаловедении, для создания систем безопасности и поиска запрещенных предметов в аэропортах и на вокзалах, а также для контроля качества медикаментов и продуктов питания, экологического мониторинга, высокоскоростной связи. Однако мощность сигнала этого диапазона очень сильно понижается при прохождении через проводящие среды, такие как влажный воздух или ткани тела человека. Поэтому исследователи разрабатывают источники терагерцевого излучения, которые обладали бы достаточной мощностью, чтобы сигнал не затухал слишком быстро, а также чувствительные приемники, способные его распознавать.
Терагерцевое излучение можно регистрировать, воздействуя на полупроводник ультракороткими лазерными импульсами и фиксируя изменения его фотопроводимости — способности проводить электричество при поглощении электромагнитного излучения. На этом эффекте основан принцип действия оптико-терагерцевых преобразователей, которые часто используются в современных системах спектроскопии и визуализации объектов и работают с недорогими и коммерчески доступными инфракрасными лазерами. Слабое место таких устройств — эффективность преобразования терагерцевого сигнала. Этот показатель во многом зависит от электронных свойств полупроводника, на основе которого он изготовлен. Специалисты пробуют разные подходы, чтобы улучшить характеристики преобразователя для детектирования терагерцевого излучения.
Ученые из Института сверхвысокочастотной полупроводниковой электроники имени В. Г. Мокерова РАН (Москва), Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) и МГТУ имени Н. Э. Баумана (Москва) повысили чувствительность детектора, внеся в решетку полупроводника упругие деформации. Они попеременно наносили на изолирующую пластину тончайшие слои двух сплавов, один из которых состоял из индия, галлия и мышьяка, а во втором вместо галлия был взят алюминий. Эти системы, похожие между собой, но не идентичные, образовали единую структуру — сверхрешетку. За счет пониженного содержания индия в одном из сплавов возникли деформации (напряжения), которые позволили управлять параметрами полупроводника. За счет этого структура стала лучше реагировать на сигнал.
Физики проверили эффективность нового устройства в экспериментах. Они подтвердили, что преобразователи на основе напряженной сверхрешетки могут работать с сигналом как высокой, так и относительно низкой частоты и успешно отделяют его от помех и искажений. По сравнению с аналогичными характеристиками для оптико-терагерцевых преобразователей на основе ненапряженной сверхрешетки созданные детекторы имеют высокую эффективность.
«На сегодняшний день в России не существует компаний, которые занимаются созданием отечественных терагерцевых преобразователей, использующих эффект фотопроводимости. А спрос на компактные и недорогие системы построения изображений в терагерцевом диапазоне на основе таких преобразователей постоянно растет. Поэтому создать полностью отечественную элементную базу терагерцевого диапазона важно и с чисто практической точки зрения. Эти разработки могут найти применение во многих социально значимых областях: от нужд персонализированной медицины до систем терагерцевой связи нового поколения 5,5 и 6G. Наша разработка — важный шаг в этом направлении»,— рассказал Дмитрий Пономарев, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ИОФ РАН, заместитель директора по научной работе ИСВЧПЭ РАН.
Использованы материалы статьи «Strain-Induced InGaAs-Based Photoconductive Terahertz Antenna-Detector»; Denis Lavrukhin, Alexander Yachmenev, Yury Goncharov, Kirill I. Zaytsev, Rustam Khabibullin, Arseniy M. Buryakov, Elena Mishina, Dmitry Ponomarev; журнал IEEE Xplore, июнь 2021 г.