Полупроводниковые кристаллы на страже безопасности и здоровья

«Разработка и внедрение высокоэффективных технологий получения полупроводниковых кристаллических материалов группы AIIBVI и изделий на их основе для приборостроения» — так называется работа, выдвинутая на соискание Государственной премии Украины 2007 года в области науки и техники. Она выполнена объединенным коллективом физиков, химиков и технологов из НТК «Институт монокристаллов» НАНУ, Института физики полупроводников НАНУ и Черновицкого национального университета. Благодаря функциональным возможностям новых материалов на их основе создан целый ряд устройств для систем безопасности при перевозке грузов и багажа, изделий для оптического и лазерного приборостроения, приборов для мониторинга источников ионизирующего излучения в окружающей среде и медицинской диагностики. Широкая международная апробация новшества способствует повышению авторитета Украины как страны с развитым сектором высоких технологий.

Одна из самых насущных проблем современного глобализированного мира — это угроза международного терроризма и увеличение экономических преступлений. Человечество борется против трафика наркотиков, незаконной перевозки взрывчатки и оружия различными методами. Все более значительную роль в этой сфере играют технические способы выявления и контроля опасных для жизни и здоровья человека веществ и изделий — как на важнейших стратегических объектах, так и в местах массового скопления людей, на воздушном и наземном транспорте.

О повышенном внимании к этой проблеме говорит тот факт, что в последние годы известной корпорацией Smiths Heimann GmbH (Германия) крупнейшие аэропорты мира оснащены новейшими серийными интроскопами для неразрушающего контроля перевозимого груза и багажа. В качестве детекторов рентгеновского излучения здесь используются полупроводниковые монокристаллы на основе селенида цинка, которые впервые разработаны и доведены до промышленного производства харьковскими специалистами. С учетом передовых позиций немецкого партнера в сфере производства инспекционной техники такое сотрудничество дает возможность украинской стороне контролировать в этой сфере значительную часть мирового рынка. На поставку этих материалов, которые по своим возможностям не имеют аналогов в мире, подписан долгосрочный контракт на общую сумму более трех миллионов евро.

Новые детекторы работают и в нашей стране. По заказу Государственной таможенной службы Украины специалисты НТК «Институт монокристаллов» совместно с СКБ «Полисвит» ПО «Коммунар» (Харьков) создали первый отечественный таможенный интроскоп «Полискан», а на его базе — аппараты для контроля ручного багажа, почты и других предметов. «Полискан-5», который уже введен в действие, был представлен на Международной специализированный выставке «Безопасность-2006», проходившей в Киеве. Ее посетители могли увидеть интроскоп в действии — с одной стороны ленты транспортера, на котором размещаются чемоданы и сумки пассажиров, стоит рентгеновский излучатель, с другой — приемная система. Обработанный сигнал передается на экран в виде теневой картинки, на которой содержимое багажа четко выделяется цветом. Органические вещества — оранжевыми красками, неорганические — темно-синими. Промежуточные элементы — разные по атомному весу — могут иметь разную окраску.

Таможенные интроскопы существовали и раньше, однако вероятность распознавания запрещенных и контрабандных веществ и изделий в новых устройствах резко возросла — точность выявления взрывчатых и наркотических веществ достигает теперь 95% вместо 30—40% раньше. В случае необходимости подозрительный багаж осматривают дополнительно, но степень ручной отбраковки теперь намного уменьшилась. При постоянно растущих транспортных потоках в аэропортах мира еще одним важным достоинством харьковских детекторов является быстродействие — за час он может вместо 200 единиц багажа пропустить в десять раз больше. Интроскопы производства немецкой фирмы с харьковскими детекторами уже стоят в ряде европейских аэропортов, существенно повышая безопасность пассажиров. А специалисты НТК «Институт монокристаллов» решают новую задачу — по договору с таможенной службой Украины они разрабатывают аналогичное устройство для получения объемного изображения.

Хотя работа с таможенными интроскопами в высокой степени коммерциализована, харьковчане считают, что в перспективе еще более выгодным может стать применение кристаллов в области медицинской диагностики. В мире функционирует всего около тысячи крупных аэропортов, а медицинские томографы должны стоять буквально в каждой современной клинике. Дело в том, что кристаллы селенида цинка имеют оптимальную чувствительность для просвечивания человеческого организма. С его помощью врач может получить диагностическую картинку быстрее, чем раньше, не подвергая пациента излишнему облучению, и она будет качественней — ярче, контрастней и с максимально возможной разрешающей способностью, которая позволит увидеть очаг патологии менее миллиметра. Специалисты НПО «Электрофизика» (Россия) уже создали на основе харьковских кристаллов экспериментальный образец медицинского томографа, который показывает прекрасные результаты.

Созданные в Харькове материалы этой группы оказались востребованными и в других областях науки и техники.

Так, харьковчане довели до совершенства технологию получения монокристаллов, которые используются для радиационного мониторинга окружающей среды. Компактные, надежные, практически не потребляющие энергии датчики могут не только обнаружить источник ионизированного излучения, но и определить, какому именно радиоактивному элементу принадлежат зафиксированные гамма-кванты. Разработки таких сенсоров для атомных станций и индивидуального пользования исследователи из НТК «Институт монокристаллов» НАНУ ведут совместно со специалистами харьковского ННЦ ХФТИ. Не менее эффективным является и выращивание кристаллов диаметром 250 миллиметров, которые служат окнами для вывода мощного теплового излучения технологических лазеров. Соответствующие ростовые аппараты продаются в США, Францию, Китай.

В чем же секрет востребованности харьковских полупроводниковых монокристаллов? С одной стороны, они обладают ценной для современных приборов способностью преобразовывать внешние воздействия, например, радиационное излучение, в свет или электричество. То есть, по сути, в них заложена процессорная функция. С другой — выращивая эти кристаллы при разных технологических условиях, можно не меняя химического состава, изменять его важнейшие характеристики направленным образом. Этот эффект, проявляющийся еще сильнее при введении различных примесей, с одной стороны, затрудняет работу с капризными материалами, а с другой — дает возможность ученым получить оптимальную комбинацию свойств для конкретной задачи.

Например, добавление хрома привело к тому, что полученный кристалл при облучении светом выдает излучение в диапазоне, который очень привлекателен для хирурга, поскольку может быть использован для создания лазера с регулируемой глубиной проникновения в организм человека. Меняя длину волны этого излучения, можно производить разные действия на ткани живого организма — от хирургического до терапевтического.

Наиболее значимым результатом многолетней работы специалистов стало создание оригинального технологического оборудования и на его базе единственного в Украине научно-промышленного производства полупроводниковых кристаллов этой группы, которое сертифицировано в соответствии с международным стандартом ISO 9001. Созданные в НТК производственные мощности способны не только целиком удовлетворить потребности приборостроительной области Украины в многофункциональных кристаллах AIIBVI и изделиях из них, но и обеспечить объемы для реализации на мировом рынке наукоемкой продукции в размере около двух миллионов долларов США в год. Экономический эффект, полученный за счет внедрения новой техники, новых научно-технических решений и технологий, только за два последних года составил более 16 миллионов гривен.

…А впереди у специалистов НТК «Институт монокристаллов» НАНУ новая область высоких технологий — выращивание полупроводниковых нанокристаллов. Харьковские исследователи уже начали проводить первые исследования этих, пока еще во многом загадочных материалов будущего.