Polskie czujniki podczerwieni: od Marsa, przez badania krwi, po kontrolę jakości wody

Niechłodzone, fotonowe detektory podczerwieni produkuje spółka VIGO System posiadająca wspólne laboratoria z Wojskową Akademią Techniczną. Jak zapewniają ich twórcy, w swojej niszy te niechłodzone, fotonowe detektory podczerwieni nie mają konkurencji – są najbardziej czułe i działają najszybciej.

CIEPLNY ŚLAD KAŻDEJ CZĄSTKI

Detektory podczerwieni wykrywają promieniowanie podczerwone, które zazwyczaj utożsamiane jest z ciepłem. O ile w ciemności da się zobaczyć – dzięki kamerom noktowizyjnym – niewidoczne gołym okiem obiekty cieplejsze od otoczenia, o tyle detektory podczerwieni wykrywają „cieplne ślady” najmniejszych cząstek. Miniaturowe detektory fotonowe mają wielkość odpowiadającą jednemu pikselowi w matrycy cyfrowego aparatu fotograficznego. Różnica jest taka, że matryca w telefonie komórkowym wykrywa promieniowanie z zakresu widzialnego, a matryca podczerwieni – z tego zakresu, którego ludzkie oko nie widzi. W laboratorium WAT-VIGO wykonywane są pojedyncze oraz kilkupikselowe detektory.

W ubiegłym wieku detektory stosowane były głównie w celach militarnych. Pierwsze bomby były wyposażone w prymitywne detektory ciepła, które naprowadzały je na kominy fabryk i innych strategicznych obiektów. Współczesna technologia opiera się na elektronice i jest wykorzystywana w zastosowaniach cywilnych. Układy detektorów stosowane są w medycynie. Z ich pomocą lekarze znajdują komórki nowotworowe – nieco cieplejsze od zdrowych, bo zachodzą w nich szybsze przemiany metaboliczne. Wysoka rozdzielczość detektorów pozwala wykryć takie niuanse temperatury i ratować życie. Mikroczujniki pomagają też bezinwazyjnie badać stężenie glukozy we krwi, czy markerów chorobowych w wydychanym powietrzu.

Detektory są określane "nosami na odległość". Z tym, że nie wyczuwają zapachu, ale źródła promieniowania o danej długości fali. Każda molekuła, każdy atom promieniuje w jakiś określony sposób. Czujnik odbiera to promieniowanie i je rozpoznaje. Dzięki temu człowiek może wnioskować – z jakim pierwiastkiem czy substancją ma do czynienia. I wcale nie trzeba być blisko nieznanej materii. Czujniki mogą być umieszczone na teleskopach, z ich pomocą określa się np. skład gwiazd. Polskie detektory poleciały w misji NASA na Marsa, gdzie wykryły obecność metanu. Korzystała z nich również Europejska Agencja Kosmiczna.

HODOWANIE KRYSZTAŁÓW

Detektory podczerwieni powstają z warstw epitaksjalnych. Warstwy otrzymuje się np. z tellurku kadmowo-rtęciowego, czy innych bardziej skomplikowanych materiałów półprzewodnikowych zwanych supersieciami. Są kryształami, choć nie wyglądają, jak znany wszystkim kryształ soli czy cukru. Hodowany kryształ składa się z różnych warstewek o grubości do kilkunastu mikrometrów. Są one osadzane na podłożu z arsenku galu w formie okrągłej płytki. W zależności od tego, jak badacze ułożą te warstwy, przyrząd może mieć wysoką czułość albo działać bardzo szybko.

„Najwyższa czułość potrzebna jest w systemach do wykrywania gazów – na przykład metanu w powietrzu. Natomiast szybkość może być ważna w zastosowaniach militarnych. My w Zakładzie Fizyki Ciała Stałego dbamy o to, żeby urządzenie miało jak najlepsze parametry” – tłumaczy mjr dr hab. inż. Małgorzata Kopytko z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT.

Więcej na ten temat – w filmie z udziałem badaczki. 

Naukowcy symulują komputerowo zjawiska fotoelektryczne zachodzące w materiałach półprzewodnikowych. Wspólnie z inżynierami VIGO opracowują „recepturę na detektor”, czyli określają, z jakich warstw powinien się on składać. Pracownicy firmy w laboratorium osadzają warstwy na podłożu. W kolejnych procesach technologicznych wytwarzają detektor. Potem obie strony porównują wyniki – jest to podstawą wspólnych publikacji naukowych.

Polacy wyspecjalizowali się w wytwarzaniu takich detektorów, które mogą pracować bez konieczności chłodzenia kriogenicznego. Są przy tym bardzo czułe, a czas ich odpowiedzi jest krótki. Klasyczne detektory, aby osiągać wysoką czułość, muszą być schłodzone do niskich temperatur, np. do temperatury ciekłego azotu. W ten sposób zmniejsza się szumy wywołane ciepłem wytwarzanym przez nośniki.

Prof. Józef Piotrowski z WAT, późniejszy współzałożyciel VIGO, już w latach 70. rozpoczął badania nad detektorami, które mogłyby pracować w temperaturze pokojowej lub przy użyciu tańszych i prostszych chłodziarek termoelektrycznych. To wymagało zmiany budowy przyrządu – czyli odpowiedniego dobrania warstw, z jakich składa się detektor.

Obecnie zespołem akademii kierują profesorowie Piotr Martyniuk i Antoni Rogalski. Z ramienia firmy współpracę koordynuje jej prezes dr inż. Adam Piotrowski. Ze spółką współpracuje również Instytut Optoelektroniki WAT.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ ekr/