На научно-технологической программе «Большие вызовы» участники направления «Новые материалы, нанотехнологии и микроэлектроника» создают прототип компактного сенсора повышенной чувствительности, который может определять даже очень малые концентрации веществ в воде и воздухе. Такой сенсор позволит точнее и надёжнее выявлять нужные вещества в разных сферах: например, в экологии — для контроля загрязнений, в промышленности — для отслеживания качества сырья и продукции. Повышенная чувствительность прибора поможет замечать минимальные изменения состава среды, а значит, принимать решения быстрее и эффективнее.
В основе сенсора — комбинация волноводной структуры из пористого оксида кремния и полупроводниковых квантовых точек. Пористый оксид кремния работает как губка и впитывает молекулы вещества — так датчик лучше его чувствует. Квантовые точки (крошечные частицы из селенида кадмия, сульфида кадмия или цинка) усиливают световой сигнал. Когда вещество попадает на датчик, свойства волновода меняются и свет проходит через него иначе — прибор считывает эти изменения и определяет состав и концентрацию вещества.
Задача команды — сделать надёжный прибор, пригодный для реального применения.
«Наша задача — повысить его чувствительность за счёт пористой структуры и квантовых точек. Такие датчики смогут фиксировать, например, летучие органические вещества в воздухе или соединения в жидких средах. При этом они будут значительно дешевле существующих аналогов и не потребуют сложного аналитического оборудования», — рассказывает научный сотрудник лаборатории «Прикладная плазмоника» Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники Александр Бурко.
В течение программы участники проходят весь путь создания устройства — от изготовления элементов датчика до его тестирования. Они осваивают процессы фотолитографии, работают с кремниевыми пластинами, изучают методы создания пористых структур и проводят исследования с использованием современного научного оборудования. Особое внимание команда уделяет именно квантовым точкам. Сейчас школьники синтезируют несколько их разновидностей и сравнивают оптические свойства, чтобы подобрать наиболее эффективный материал для будущего датчика. Исследователи также проверят, как на работу устройства влияет строение самих наночастиц — с одинарной и двойной оболочкой.
.jpg)
«Раньше я уже синтезировала квантовые точки для своего личного проекта, а теперь осваиваю более сложную конструкцию — так называемую структуру “ядро — оболочка”. Мы пробуем два варианта: с одной оболочкой и с двумя. Хотим сравнить, как они ведут себя, и выбрать самый подходящий вариант для нашего датчика. Это для меня новое направление — и теперь я думаю, как применить такой подход в своих будущих исследованиях в технопарке», — рассказывает участница проекта Виктория Моткина из Новочеркасска.
Во время программы школьники уже освоили работу с оптическим микроскопом, центрифугами и установками для фотолитографии, а впереди их ждут исследования на рамановском и атомно-силовом микроскопах, а также измерение оптических характеристик созданных образцов с помощью спектрофотометра. Такой опыт позволяет участникам пройти практически весь цикл создания современного фотонного устройства.
К концу программы команда планирует изготовить прототип фотонного датчика и провести первые испытания. На этом работа не завершится: результаты исследования лягут в основу научной статьи, а наиболее перспективные решения команда планирует развивать и после окончания программы для подготовки заявки на патент своего устройства.
