Naujienų archyvas

Terahercų dažnių elektronika – naujos galimybės silicio pramonei

Mokslinėje bendruomenėje vis dažniau galima išgirsti vaizdingą terahercų (THz) dažnių srityje veikiančios elektronikos tyrimų apibūdinimą – „užpildykime THz tarpą (angl. THz gap) siliciu“. Prie šio svarbaus uždavinio sprendimo svariai prisideda ir 2021 m. Kazimiero Baršausko (elektronika ir elektrotechnika) premijos laureatai prof. dr. Alvydas Lisauskas ir dr. Kęstutis Ikamas.

Terahercų dažniai prasideda ten, kur baigiasi mikrobangų sritis, maždaug ties 100–300 GHz. Pirmieji šios spinduliuotės šaltiniai buvo sukurti jau prieš šimtą metų (praėjus apie trisdešimt metų po pirmųjų Herco eksperimentų, pademonstravusių radijo bangų egzistavimą). Tačiau į šiuolaikinę elektroniką terahercai ateina tik dabar. Visų pirma dėl to, kad elektromagnetinio spektro dalyje daugumos elektroninių puslaidininkinių įtaisų veiklą riboja krūvininkų pernašos trukmė, o kvantiniais šuoliais paremti optiniai metodai sunkiai pritaikomi. Be to, THz fotono energija yra daug mažesnė už kambario temperatūrai būdingą šiluminį kvantinių būsenų išplitimą. Dėl šių fizikinių ribojimų THz dažnių elektronika vis dar išlieka mažiausiai išvystyta, bet perspektyvia elektronikos sritimi.

THz diapazone elektromagnetinė spinduliuotė sąveikauja su diskrečiais molekuliniais vibraciniais ir rotaciniais virpesiais, būdingais skysčiams bei kietiesiems kūnams. Dėl šios ypatybės terahercais jau daugelį metų domisi astronomai ir medžiagų spektroskopijos specialistai. Atsiradus naujiems terahercų spinduliuotės generacijos ir detekcijos techniniams sprendimams, THz dažnių juosta pradedama taikyti ir vaizdinimo srityje. Kaip pavyzdį galima paminėti paslėptų ginklų arba sprogmenų aptikimą, pritaikymą neardančiosios patikros metoduose, farmacijos arba medicinos tikslams (stebint odos vėžio pažeistas ląsteles, nudegimus ir žaizdų gijimą). Vienas svarbiausių ypatumų – ši dažnių sritis natūraliai tęsia belaidžių komunikacijos technologijų vystymo raidą, kuri, tikėtina, bus matoma lanksčiai apibrėžtos THz dažnių srities jau šeštos kartos ryšio sistemose.

Terahercinė vaizdinimo sistema: a) stendo sudedamosios dalys; b) skenuoto objekto nuotrauka; c) gautas vaizdas ties 250 GHz dažniu su 4 mm diametro silicio lęšiu;  d) to paties objekto vaizdas gautas su galingesniu šaltiniu ir 12 mm lęšiu. Histogramoje pavaizduotas užblokuotos objekto srities triukšmo lygis. © K. Ikamas, et. al., Sensors 21, 5795 (2021).

Ten, kur daug iššūkių, atsiveria ir daug galimybių. Kuriant THz dažniais veikiančius įtaisus neužtenka vartoti vien elektronikai ar vien fotonikai būdingų sąvokų. Labai svarbūs yra banginiai reiškiniai elektronikos grandynuose. Jų pasireiškimą net ir mikrobangų ruože dar galima iš dalies apriboti tobulinant technologijas ir didinant elektronikos integracijos lygį. Tačiau THz dažniuose bangų sklidimas tampa aktualus ne tik perduodant elektrinius signalus. Pačiame puslaidininkiniame įtaise pradeda sklisti krūvininkų bangos (taip vadinamos plazmoninės bangos). Vienas pagrindinių VU Fizikos fakulteto Terahercų elektronikos grupės, kurios branduolį sudaro 2021 m. Kazimiero Baršausko premijos laureatai prof. dr. A. Lisauskas ir dr. K. Ikamas, uždavinių ir buvo tokių bangų susidarymo bei jų pasitelkimo kuriant naujus THz spinduliuotės detektorius tyrimai. Šia tematika publikuotam darbui tarptautinė inžinierių bendruomenė Mikrobangų teorijos ir technikų draugija (angl. IEEE MTT-S) skyrė geriausio 2021 m. „Terahercų mokslo ir technologijų“ tematikos straipsnio apdovanojimą (angl. Terahertz Science and Technology Best Paper Award).

VU mokslininkų sukurtas duomenų perdavimo linijos demonstracinis stendas su elektroniniais THz dažnių šaltiniu ir jutikliu.

Verta pabrėžti, kad jutikliams tinkamos technologijos neapsiriboja tik didelio judrio medžiagų sistemomis. Jautrius jutiklius galima gaminti ir pasitelkiant plačiai išvystytas silicio gamybos technologijas. Dauguma VU mokslininkų grupės darbų skirta tokiems jutikliams kurti ir praktiškai juos naudoti naujose vaizdinimo ir spektroskopijos sistemose. Vieni naujausių Terahercų elektronikos grupės pasiekimų –  silicio technologijose įdiegtų THz dažnių osciliatorių projektavimas. Vilniuje sukonstruoti šaltiniai kartu su jutikliais sudaro sistemas, savo dinamika prilygstančias geriausiems mokslinėje literatūroje skelbiamiems rezultatams. Taigi tikimasi, kad grupės indėlis prisidės prie bendro THz technologijų vystymo.

K. Baršausko premijos teikimo ceremonijoje laureatai išreiškė padėką dėl nacionalinių mokslinių tyrimų finansavimo programų, kurios padėjo įgyvendinti idėjas, palaikyti ir užmegzti svarbius ryšius su užsienio grupėmis Frankfurte, Berlyne, Varšuvoje, Monpeljė, Paryžiuje, Stokholme ir kituose miestuose. Prie VU Fizikos fakulteto Terahercų elektronikos grupės pasiekimų svariai prisidėjo glaudus bendradarbiavimas su artimiausiais kaimynais, pripažintais THz srities ekspertais, Fizinių ir technologijos mokslų centro tyrėjais akademikais Arūnu Krotkumi bei Gintaru Valušiu, jų vadovaujamų grupių nariais. Laureatai tikisi, kad ateityje jų darbai bus reikšmingi ir Lietuvos įmonių, tokių kaip „Elmika“, „Limes Microsystems“, „Teltonika IoT“, konkurencingumui stiprinti bei bus naudojami kuriant inovatyvią bendrovių produkciją.

Parengė dr. Kęstutis Ikamas