Projektas BIRD (angl. Bismides for InfraRed photoDetector – bismidai infraraudoniesiems fotodetektoriams) yra vienas iš ambicingiausių Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Optoelektronikos skyriaus projektų, vykdomų kartu su Europos kosmoso agentūra (ESA). Jo pagrindinis tikslas – sukurti visiškai naujas puslaidininkines medžiagas, kurios būtų efektyvesnės ir pigesnės už dabar naudojamas kosmoso technologijose naudojamus analogus.
Projekto BIRD vadovas Arūnas Krotkus. Nuotrauka Juditos Grigelytės Vladimiro Ivanovo (VŽ)
BIRD projektas fokusuojasi į tai, kaip panaudoti „sunkųjį“ bismutą, kad kosminiai prietaisai taptų jautresni šilumai, efektyviau gamintų elektrą iš Saulės ir būtų pigiau pagaminami. Tai technologija, kuri tiesiogiai stiprina Lietuvos vardą kaip aukštųjų technologijų valstybės ESA struktūrose. Projekto BIRD vadovas yra prof. habil. dr. Arūnas Krotkus – vienas žymiausių Lietuvos puslaidininkių fizikos specialistų. Šis projektas buvo tiesioginis ESA užsakymas.
Bismidai skverbiasi į kosmosą
Galio arsenido bismuto kristalinė gardelė
Projekto pagrindas – praskiestieji bismidai. Tai yra III-V (A3B5) grupės puslaidininkiniai junginiai, kuriuose įprastų medžiagų kristalinėje gardelėje dalis arseno atomų pakeičiama bismuto atomais – taip gaunami GaAsBi (galio arsenido bismido) junginiai. Įprastos medžiagos pavyzdys yra galio arsenidas (GaAs).
Kodėl pasirinktas būtent bismutas? Bismutas yra „sunkus“ elementas. Net ir nedidelis jo kiekis stipriai susiaurina medžiagos draustinių energijų tarpą. Paprastai tariant, tai leidžia medžiagai „pagauti“ daug ilgesnes šviesos bangas arba infraraudonąją spinduliuotę. Įprasti puslaidininkiai šios elektromagnetinio spektro dalies „nemato“.
Projekto rezultatai gali būti reikšmingi dviejose pagrindinėse srityse.
Didelio efektyvumo saulės elementai. Palydovuose naudojami tandeminiai saulės elementai, sudaryti iš kelių sluoksnių. Bismidų sluoksnis leidžia sukurti idealų ~1 eV energijos tarpą, padedantį efektyviau išnaudoti saulės spektro infraraudonąją dalį. Praktinė nauda – daugiau generuojamos energijos iš to paties saulės baterijų ploto. Galbūt, tokių saulės elementų su bismidais efektyvumas siektų 40-50 %.
Infraraudonųjų spindulių jutikliai. Bismidų naudojimas fotodetektoriuose ir jų matricose išplėstų jautrumą infraraudoniesiems spinduliams iki 4 μm (mikrometrų). Tai kritiškai svarbu Žemės stebėjimui (temperatūriniai žemėlapiai, gaisrų aptikimas), lazerinio ryšio sistemoms tarp palydovų bei objektų sekimui kosmose.
Ar tai revoliucija ?
Infraraudoniesiems spinduliams aptikti dažniausiai naudojami InGaAs (indžio galio arsenido) arba HgCdTe (gyvsidabrio kadmio telūro) junginiai. Tačiau šios medžiagos turi rimtų trūkumų. Standartinis InGaAs turi jautrumo ribas ir mato tik iki 1,7–2,2 bangos ilgio. Tuo tarpu HgCdTe junginiai yra labai brangūs, nuodingi, o jų gamybos procesas itin sudėtingas.
Bismidai leidžia pasiekti panašius rezultatus naudojant paprastesnę ir pigesnę gamybos technologiją (molekulinių pluoštelių epitaksiją – MBE), kartu išlaikant didelį elektronų judrį (spartą).