доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник СПбГУ (лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем)
Артем Геннадиевич Рыбкин
НЬЮСМЕЙКЕР
Кейсы
Ученые СПбГУ создали инфракрасный детектор циркулярно-поляризованного излучения на основе графена. Он более дешевый в производстве, чем аналоги, и позволит производить миниатюрные оптоэлектронные устройства для анализа и кодирования информации в астрономии, биологии, медицине и контроля качества промышленных товаров.
Физики СПбГУ разработали элемент оптоэлектронных устройств будущего
22.05.25
Графен
Электроника
Инфракрасное излучение
Почему актуально
Оптоэлектронные устройства обеспечивают высокую скорость обработки и передачи информации. К ним относятся, например, датчики мониторинга ритма сердца, интернет-кабели и некоторые компьютерные составляющие.
Благодаря своим свойствам устройства на основе оптоэлектроники пользуются сегодня всё большей популярностью. Так, по данным аналитической компании Mordor Intelligence, размер мирового рынка оптической техники в 2024 году оценивается в $ 43,32 млрд. Как ожидается, к 2029 году он достигнет $ 57,15 млрд. При этом с каждым годом оптоэлектроника становится все компактнее. Эта тенденция, скорее всего, сохранится и дальше. Поэтому важно искать и создавать комплектующие, которые сочетали бы в себе эффективность и миниатюрность.
По словам Артема Геннадиевича Рыбкина, ведущего научного сотрудника СПбГУ (лаборатория электронной и спиновой структуры наносистем), оптическая техника является неотъемлемой частью многих физических экспериментов, и в связи с требуемым развитием оптических технологий одной из актуальных задач для ученых сегодня стало создание эффективного и малогабаритного детектора излучения с циркулярной поляризацией.

Исследователи СПбГУ с этой задачей справились. Они разработали такой детектор на основе графена и при этом сделали его способным регистрировать излучение в среднем инфракрасном (ИК) диапазоне без использования дополнительных деталей. Детектор позволит создать миниатюрное устройство, например, для изучения магнитного поля космических объектов или хиральных молекул (не способных совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением. — Прим. ред.). Очень многие объекты в природе не имеют молекул-отражений, в частности аминокислоты. Ответив на вопрос, почему у них их нет, ученые смогут объяснить происхождение жизни. Также хиральные молекулы важны для создания лекарств. Если вещество-кандидат обладает хиральностью, то можно выяснить, какое из его отражений (правое или левое) имеет большую эффективность, и на его основе создать препарат.
Лучше всех
По словам Артема Рыбкина, чтобы регистрировать поляризованное излучение, известным сегодня инфракрасным детекторам дополнительно нужны специальные приборы — поляризаторы. За счет их наличия конструкция усложняется, а производство дорожает. «Более выгодным способом является прямое детектирование циркулярно-поляризованного излучения за счет чувствительных к нему материалов», — подчеркивает исследователь.

Основой разработки физиков Университета служит хорошо известный материал — графен. Предложенный учеными детектор состоит из нескольких слоев: собственно графенового, потом золотого и кобальтового, а также подложки с нанесенными контактами для пропускания тока. В этом «слоеном пироге» графен приобретает такие свойства, которые обеспечивают детектору прямую чувствительность к циркулярно-поляризованному ИК-излучению без дополнительных поляризаторов. При этом, как отмечает Артем Рыбкин, разработка исследователей хорошо улавливает ИК-изучение в среднем диапазоне, с чем не так хорошо справляются существующие аналоги. Также при использовании детектора физиков СПбГУ не требуется применять внешнее магнитное поле, тогда как для известных сегодня других подобных устройств это необходимо.

Еще одним уникальным преимуществом разработки специалистов СПбГУ является тот факт, что электронные свойства графена в нем сохраняются в широком диапазоне температур (вплоть до комнатной). Это значит, что устройство на основе разработки можно будет использовать не только на Земле, но и в космосе, не добавляя к нему систему охлаждения или подогрева, то есть не усложняя конструкцию и не повышая стоимость производства.
Стадия готовности
Созданный детектор был успешно апробирован в ресурсных центрах Научного парка СПбГУ. Пока прототипа устройства нет. Чтобы его создать, нужно перенести «слоеный пирог» с графеном на полупроводниковые или диэлектрические подложки, в том числе с использованием специальной установки для магнетронного напыления. По словам Артема Рыбкина, если удастся отработать такую технологию, то можно будет наладить производство ИК-детекторов в России.

Предположить, сколько может стоить конечное изделие, сейчас сложно. Все будет зависеть от плотности элементов на пластине.
Где можно использовать
Как отмечает Артем Рыбкин, изобретение ученых СПбГУ расширяет область применения детекторов циркулярно-поляризованного излучения и дает возможность использовать их, например, в оптоэлектронных интегральных схемах в микрометровом масштабе. При этом размер устройства на основе разработанного детектора будет зависеть только от детектируемой длины волны.

Созданный физиками детектор может быть полезен не только в оптоэлектронике, но еще и в области валлитроники, в устройствах на ее основе поляризация используется для кодирования информации. Также разработка СПбГУ пригодится в медицине (например, для визуализации тканей костного мозга человека) и в различных сферах промышленности для контроля качества материалов и процессов их производства.

Екатерина Заикина
Автор статьи
Слушать подкаст
Ученые СПбГУ отвечают на важные вопросы
Научно-популярные новости СПбГУ, исследования, видеолекции, интервью с учеными Университета
Ландау позвонит
Оставить заявку
Укажите контактную информацию, мы вам перезвоним и ответим на интересующие вопросы
Наши эксперты готовы ответить на ваши вопросы
Получить консультацию
Подписывайтесь на наши соцсети
Подпишитесь на соцсети СПбГУ, чтобы быть в курсе актуальных новостей
Простым языком об исследованиях и разработках ученых СПбГУ
Журнал «Санкт-Петербургский университет»