Напівпровідникові кристали на варті безпеки та здоров’я

«Розробка і впровадження високоефективних технологій отримання напівпровідникових кристалічних матеріалів групи AIIBVI і виробів на їхній основі для приладобудування» — так називається праця, висунута на здобуття Державної премії України 2007 року в галузі науки та техніки. Її виконав об’єднаний колектив фізиків, хіміків і технологів із НТК «Інститут монокристалів» НАНУ, Інституту фізики напівпровідників НАНУ і Чернівецького національного університету. Завдяки функціональним можливостям нових матеріалів на їхній основі створено цілий ряд пристроїв для систем безпеки під час перевезення вантажів і багажу, виробів для оптичного та лазерного приладобудування, приладів для моніторингу джерел іонізуючого випромінювання в довкіллі і медичної діагностики. Широка міжнародна апробація нововведення сприяє підвищенню авторитету України як країни з розвиненим сектором високих технологій.

Одна з найнагальніших проблем сучасного глобалізованого світу — загроза міжнародного тероризму і збільшення економічних злочинів. Людство бореться проти трафіка наркотиків, незаконного перевезення вибухівки і зброї різними методами. Дедалі важливішу роль у цій сфері відіграють технічні засоби виявлення й контролю небезпечних для життя і здоров’я людини речовин та виробів як на найважливіших стратегічних об’єктах, так і в місцях масового скупчення людей, на повітряному і наземному транспорті.

Про підвищену увагу до цієї проблеми свідчить той факт, що останніми роками відома корпорація Smiths Heimann Gmb (Німеччина) оснастила найбільші аеропорти світу новітніми серійними інтроскопами для неруйнівного контролю вантажу і багажу. Як детектори рентгенівського випромінювання тут використовують напівпровідникові монокристали на основі селеніду цинку, вперше розроблені і доведені до промислового виробництва харківськими спеціалістами. З урахуванням передових позицій німецького партнера у сфері виробництва інспекційної техніки таке співробітництво дає можливість українській стороні контролювати в цій сфері значну частину світового ринку. На поставку цих матеріалів, які за своїми можливостями не мають аналогів у світі, підписано довгостроковий контракт на загальну суму понад три мільйони євро.

Нові детектори працюють і в нашій країні. На замовлення Державної митної служби України спеціалісти НТК «Інститут монокристалів» спільно з СКБ «Полісвіт» ВО «Комунар» (Харків) створили перший вітчизняний митний інтроскоп «Поліскан», а на його базі — апарати для контролю ручного багажу, пошти й інших предметів. «Поліскан-5», який уже став до ладу, було представлено на Міжнародній спеціалізований виставці «Безпека-2006», що проходила в Києві. Її відвідувачі могли побачити інтроскоп у дії — з одного боку, стрічки транспортера, на якому розміщуються валізи і сумки пасажирів, стоїть рентгенівський випромінювач, з другого — приймальна система. Оброблений сигнал передається на екран у вигляді тіньової картинки, на якій уміст багажу чітко виділяється кольором. Органічні речовини — оранжевими фарбами, неорганічні — темно-синіми. Проміжні елементи — різні за атомною вагою — можуть мати різне забарвлення.

Митні інтроскопи існували й раніше, однак можливість розпізнавання заборонених і контрабандних речовин та виробів у нових пристроях різко зросла — точність виявлення вибухових і наркотичних речовин сягає тепер 95% замість 30—40% раніше. У разі потреби підозрілий багаж оглядають додатково, але рівень ручного відбракування тепер значно зменшився. При постійному зростанні транспортних потоків в аеропортах світу ще однією важливою перевагою харківських детекторів є швидкодія — за годину він може замість 200 одиниць багажу пропустити вдесятеро більше. Інтроскопи виробництва німецької фірми з харківськими детекторами вже стоять у ряді європейських аеропортів, істотно підвищуючи безпеку пасажирів. А спеціалісти НТК «Інститут монокристалів» вирішують нове завдання — за договором із митною службою України, вони розробляють аналогічний пристрій для отримання об’ємного зображення.

Хоча робота з митними інтроскопами великою мірою комерціалізована, харків’яни вважають, що в перспективі ще більш вигідним може стати застосування кристалів у галузі медичної діагностики. У світі функціонує всього близько тисячі великих аеропортів, а медичні томографи повинні стояти буквально в кожній сучасній клініці. Річ у тому, що кристали селеніду цинку мають оптимальну чутливість для просвічування людського організму. З його допомогою лікар може отримати діагностичну картинку швидше, ніж колись, не піддаючи пацієнта зайвому опроміненню, і вона буде якісною — яскравішою, контрастнішою і з максимально можливою роздільною здатністю, що дозволить побачити осередок патології розміром менш як міліметр. Фахівці НВО «Електрофізика» (Росія) уже створили на основі харківських кристалів експериментальний зразок медичного томографа, що демонструє чудові результати.

Створені в Харкові матеріали цієї групи виявилися затребуваними і в інших галузях науки та техніки.

Так харків’яни довели до досконалості технологію отримання монокристалів, що використовуються для радіаційного моніторингу довкілля. Компактні, надійні датчики, які практично не споживають енергії, можуть не тільки виявити джерело іонізованого випромінювання, а й визначити, якому саме радіоактивному елементу належать зафіксовані гамма-кванти. Розробляють такі сенсори для атомних станцій та індивідуального користування дослідники з НТК «Інститут монокристалів» НАНУ спільно зі спеціалістами харківського ННЦ ХФТІ. Не менш ефективним є і вирощування кристалів діаметром 250 міліметрів, що слугують вікнами для виведення потужного теплового випромінювання технологічних лазерів. Відповідні ростові апарати продають до США, Франції, Китаю.

У чому ж таємниця затребуваності харківських напівпровідникових монокристалів? З одного боку, вони володіють цінною для сучасних приладів здатністю перетворювати зовнішні впливи, наприклад, радіаційне випромінювання, на світло чи електрику. Тобто, по суті, у них закладена процесорна функція. З іншого — вирощуючи ці кристали в різних технологічних умовах, можна без зміни хімічного складу змінювати їхні найважливіші характеристики скерованим чином. Цей ефект, який виявляється ще сильніше при введенні різних домішок, з одного боку, ускладнює роботу з примхливими матеріалами, а з іншого — дає можливість вченим отримати оптимальну комбінацію властивостей для конкретного завдання.

Наприклад, додавання хрому привело до того, що отриманий кристал під час опромінення світлом видає випромінювання в діапазоні, дуже привабливому для хірурга, оскільки може бути використаний для створення лазера з регульованою глибиною проникнення в організм людини. Змінюючи довжину хвилі цього випромінювання, можна виконувати різні дії на тканині живого організму — від хірургічної до терапевтичної.

Найбільш значимим результатом багаторічної роботи спеціалістів стало створення оригінального технологічного устаткування і на його базі єдиного в Україні науково-промислового виробництва напівпровідникових кристалів цієї групи, що сертифіковане відповідно до міжнародного стандарту ISO 9001. Створені в НТК виробничі потужності здатні не лише повністю задовольнити потреби приладобудівної галузі України в багатофункціональних кристалах AIIBVI і виробах із них, а й забезпечити обсяги для реалізації на світовому ринку наукомісткої продукції в розмірі близько двох мільйонів доларів США на рік. Економічний ефект, отриманий завдяки впровадженню нової техніки, нових науково-технічних рішень та технологій, тільки за два останніх роки становив понад 16 мільйонів гривень.

…А попереду у спеціалістів НТК «Інститут монокристалів» НАНУ нова галузь високих технологій — вирощування напівпровідникових нанокристалів. Харківські дослідники вже почали проводити перші дослідження цих поки що багато в чому загадкових матеріалів майбутнього.