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.
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.
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.
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.
