На разработку ТГц антенн со встроенными диэлектрическими наноантеннами Сергей Лепешов, инженер кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО, получил грант от Фонда содействия инновациям в рамках программы «УМНИК». Благодаря полученному финансированию разработчик проведет исследование ТГц антенн и их составных частей – диэлектрических наноантенн, а в случае успеха запатентует свою разработку и в конечном счете выведет ее на рынок.
Что такое диэлектрические наноантенны
Наноантенны – это очень маленькие устройства размером порядка 100 нанометров, которые позволяют управлять электромагнитными волнами с частотой света. Они способны концентрировать свет и перенаправлять его. Из таких наноантенн можно создавать метаповерхности – искусственно созданные двумерные материалы с заданными электромагнитными свойствами. Меняя геометрию наноантенн или период между ними, можно трансформировать свойства метаповерхности: коэффициент прохождения, коэффициент отражения и поглощения в материале. Именно благодаря усилению поглощения становится возможным проект Сергея Лепешова, который направлен на разработку эффективных источников ТГц излучения на основе наноантенн.
![Университет ИТМО. Сергей Лепешов](/news_plugs/1.png)
Важнейшим составным элементом ТГц антенны является полупроводниковая подложка, в которой происходит генерация излучения. Для этого ее облучают сверхкороткими по времени лазерными импульсами. Чтобы поглощение в подложке было максимальным, на нее помещают наноантенны. Обычно используются металлические наноантенны, сделанные из золота, серебра и других металлов. Инженер решил подойти с другой стороны и использовать кремний, который повсеместно используется в наноэлектронике. На основе кремния создаются транзисторы, полупроводниковые диоды, которые находятся у нас в телефонах, планшетах и компьютерах. Другими словами, технология создания наноструктур из кремния очень хорошо отработана, поэтому создание наноантенны именно из этого материала особенно перспективно, так как это позволит внедрить новые оптические технологии в производство без серьезных модификаций.
Чем отличаются диэлектрические наноантенны от металлических
Во-первых, кремний, из которого сделаны диэлектрические наноантенны, практически не поглощает свет на тех частотах, на которых происходит «накачка» ТГц антенны, в отличие от золота или серебра. Во-вторых, использование кремния удешевляет производство. Еще одно значительное отличие – пропускание света. Массивы наноантенн из золота и серебра имеют большой коэффициент отражения. С помощью кремния же можно создавать в ТГц антенне метаповерхности, которые будут практически полностью пропускать через себя свет. Он будет проходить в полупроводник, на котором находятся ТГц антенны и их составные части – наноантенны, в количестве 98-99% и поглощаться в поверхностном слое.
![Образец экспериментальной работы](/news_plugs/9.png)
Как диэлектрические наноантенны работают в ТГц антенне
Когда свет падает на диэлектрические наноантенны, они особым образом его рассеивают, в результате чего в поверхностном слое полупроводника, где находятся наноантенны, усиливается оптический сигнал. В местах, где он усиливается, более эффективно генерируются электроны и дырки. Если электрон – элементарная частица, то дырка – это квазичастица, которая есть в полупроводниках. Когда в полупроводниках появляется свободный электрон под действием, например, светового излучения у него появляется пара – дырка. Дырка считается положительно заряженной частицей, а электрон – отрицательно заряженной частицей. За счет этой более эффективной генерации возрастает сила тока в ТГц антенне, вследствие этого увеличивается мощность ТГц излучения. Получается, что диэлектрические наноантенны приводят к усилению света, возрастание светового излучения в полупроводнике – к усилению тока, а ток, в свою очередь, генерирует ТГц излучение.
Для чего вообще используются ТГц антенны
Наноантенны используются для усиления ТГц сигнала от фотопроводящих антенн. Зачем нужны фотопроводящие антенны и в целом ТГц излучение? Для решения ряда задач, с которыми оптика и, например, радиолокаторы сегодня не справляются. Допустим, нужно с достаточно высокой точностью контролировать качество выпускаемой продукции – от медикаментов до колбасы. Для этой задачи подойдут сенсоры на основе источников и приемников ТГц излучения. Для того, чтобы уровень ТГц изучения был достаточным, нужны эффективные источники излучения.
![Оборудование, задействованное в работе](/news_plugs/9.png)
Кроме того, ТГц излучение может проникать через среды, через которые не проникает свет. Например, сквозь стены. Условный шлем с ТГц датчиками позволит узнать, что происходит по другую сторону непреодолимой для света преграды. Еще ТГц излучение можно использовать в сканерах, которые просвечивают багаж пассажиров. В некоторых аэропортах уже стоят датчики, основанные на низкочастотном ТГц излучении, но пока они не получили широкого распространения. Например, в Санкт-Петербурге, в отличие от Амстердама, мы их не встретим. Такие сканеры также позволяют упростить процедуру досмотра: человека сканируют датчиками, исключая физический контакт. К тому же это абсолютно безвредно. ТГц датчики позволяют в некоторых случаях заменить рентгеновские датчики, излучение которых в большом количестве небезопасно для человека.
ТГц излучение можно использовать в медицине, в военной сфере, в сфере безопасности, контроля качества, и это далеко не полный список. Однако на данный момент ТГц излучение в первую очередь используется, конечно, в научных целях. Для ученых представляет большой интерес взаимодействие ТГц излучения с различными объектами. Для подобных исследований применяются сложные дорогостоящие установки, включающие в себя ТГц источники. Чем выше эффективность источника, тем выше уровень ТГц сигнала, а значит, тем больше вероятность, что лаборатория или компания-производитель исследовательских установок приобретет этот ТГц источник. Таким образом, ТГц фотопроводящая антенна с диэлектрическими наноантеннами будет обладать большей конкурентоспособностью на рынке ТГц источников, чем ее аналоги.