Планета Земля окружена искусственными спутниками разных назначений: научными, военными аппаратами, спутниками связи. В 2020 году общественная организация «Union of Concerned Scientists» насчитывала почти 2800 рабочих аппаратов на околоземной орбите. Каждый год запускаются новые. При их проектировании инженеры должны позаботиться о том, чтобы разместить на небольшом объекте все необходимые устройства, а также о защите аппаратуры от солнечной радиации.
«На Земле мы защищены нашей атмосферой, которая поглощает или отражает большую часть воздействий, приходящих из космоса. Но как только мы выходим за пределы атмосферы, все попадает непосредственно в нас. Например, потоки ионов, — объясняет профессор факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Дмитрий Бауман. — Если мы будем бомбардировать электронный прибор ионами с высокой энергией, то произойдет ионизация материала, в нем появятся паразитные заряды, которые будут влиять на работу устройства. Возможно, даже приведут к его разрушению. Второй вредный фактор, который мы встречаем в космосе, — это жесткое электромагнитное излучение, способное проникать сквозь самые разные защиты и вредить электронике».
В любом спутнике очень много электронных приборов — с их помощью операторы управляют работой аппаратов: меняют угол наклона солнечных батарей, контролируют орбиту, делают снимки, передают и получают сообщения. Для защиты этих устройств от солнечной радиации прикладываются большие усилия, изобретаются защитные покрытия. Это тратит не только деньги и ресурсы, но и полезный вес при запуске ракеты-носителя. Поэтому инженеры и ученые постоянно ищут максимально эффективные и компактные решения.
Когда защита — сам материал
Ученые Университета ИТМО и НПО «Специальные материалы» вместе предложили новый полупроводниковый материал, который сам по себе более устойчив к вредному воздействию космического излучения. Потенциально из него можно создавать электронику для космических аппаратов.
В поисках такого материала ученые обращали внимание на полупроводники с максимально широкой запрещенной зоной. Чем шире у полупроводникового материала запрещенная зона, тем выше его удельное сопротивление и, как правило, тем большие напряжения он может выдерживать. Как выяснилось, этот показатель также влияет и на устойчивость к радиации.
Ученые стали экспериментировать с оксидом галлия (Ga2O3), хорошо известным полупроводниковым материалом. Однако, как выяснилось в процессе работы, оптимальным материалом является (AlxGa1-x)2O3.
«Это такой твердый раствор, — рассказывает Дмитрий Бауман. — Алюминий — это не примесь, он встраивается в кристаллическую решетку вместо атомов галлия. Где-то стоит галлий, где-то алюминий, это смесь оксида галлия и оксида алюминия».
Три в одном
В результате экспериментов ученые получили более стойкий материал, который лучше работает в условиях радиации. Однако, как выяснилось, на этом плюсы их разработки не заканчиваются.
«В работах разных исследователей выявлены и другие преимущества двойного материала по сравнению с чистым оксидом галлия. Например, установлено, что в нем значительно выше подвижность электронов, что хорошо для любого полупроводника, — говорит Дмитрий Бауман. — Чем выше подвижность, тем быстрее материал реагирует на внешнее воздействие, тем быстрее будет работа прибора. Еще пример: в солнечно-слепых фотодетекторах, изготовленных из (AlxGa1-x)2O3 , получен фототок в десять раз больший, чем в детекторах из чистого оксида галлия, что существенно улучшает характеристики прибора».
Таким образом, новый материал потенциально может быть использован для новых космических аппаратов. Впрочем, ученые не исключают, что его можно будет применить и для земных приборов, которые работают в условиях повышенного радиационного фона.
Статья: D.A.Bauman, А.I.Borodkin, A.A.Petrenko, D.I.Panov, A.V.Kremleva, V.A.Spiridonov, D.A.Zakgeim, M.V.Silnikov, M.A.Odnoblyudov, A.E.Romanov, V.E.Bougrov. On improving the radiation resistance of gallium oxide for space applications. Acta Astronautica, 2020/10.1016/j.actaastro.2020.12.010
