MAB 8/2017

Projekt:

CENTERA – Centrum Badań i Zastosowań Technologii Terahercowych

Autorzy:

Prof. Wojciech Knap i prof. Thomas Skotnicki

Finansowanie:

34 434 920 PLN

Miejsce realizacji projektu:

Instytut Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie

Partnerzy zagraniczni:

Uniwersytet Goethego we Frankfurcie (Niemcy)

CNRS: Instytut Elektroniki, Mikroelektroniki i Nanotechnologii w Lille (Francja)

Dziedzina:

Fizyka, inżynieria

Cel projektu:

Badania nad podstawowymi i aplikacyjnymi własnościami promieniowania terahercowego

Opis projektu:

CENTERA czyli Centrum Badań i Zastosowań Technologii Terahercowych

Promieniowanie terahercowe (zwane też falami T, THz lub submilimetrowymi) to promieniowanie elektromagnetyczne o częstościach oscylacji rzędu 10¹² Hz. Nazwa ta dotyczy zatem pasma leżącego pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Mimo że jest ono znane od dawna, jak dotychczas nie jest wykorzystywane przez człowieka na szeroką skalę. Stąd nazywane jest zapomnianym pasmem lub luką terahercową. Posiada jednak ogromny potencjał aplikacyjny, a w Polsce badania terahercowe prowadzone są od kilkunastu lat. Dlatego mamy znakomite warunki do opracowania innowacyjnych przyrządów i technologii terahercowych (m.in. skanerów i mikroskopów) i wprowadzenia ich na rynek, najpiew w Polsce, a potem w Europie. Badaniami nad podstawowymi i aplikacyjnymi własnościami promieniowania terahercowego będą zajmować się naukowcy z nowo powstającego Centrum Badań i Zastosowań Technologii Terahercowych CENTERA.

CENTERA to nowe Centrum Doskonałości finansowane przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze (MAB). Jego założycielami są światowej klasy polscy fizycy ? profesorowie Wojciech Knap i Thomas Skotnicki ? od kilkunastu lat zajmujący się pionierskimi badaniami w dziedzinie promieniowania terahercowego.

? Luka terahercowa kryje w sobie niezmierzone możliwości eksploracji, zarówno na polu naukowym, jak i gospodarczym. Fale THz mają kilka szczególnie interesujących właściwości, np. z łatwością przenikają przez większość materiałów niemetalicznych, takich jak tworzywa sztuczne, papier, ubrania, drewno, co sprawia, że można je wykorzystać do analizy wewnętrznych struktur lub składu tych obiektów. W przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletowego, fale THz nie są szkodliwe dla ludzi ani zwierząt, a więc nie ma konieczności stosowania przy ich używaniu żadnych specyficznych środków bezpieczeństwa. Promieniowanie THz mogą również propagować się w powietrzu, zapewniając wizje w trudnych warunkach atmosferycznych lub przenosząc ogromną ilość informacji. W związku z tym, dla fal THz przewidziano szereg ciekawych zastosowań: w komunikacji (do zwiększenia szybkości transferu), przemyśle, rolnictwie i handlu (do monitorowania procesów i/lub kontroli jakości), bezpieczeństwie (w systemach wizyjnych do pracy w trudnych warunkach atmosferycznych), a także w ochronie (do wykrywania zagrożeń w przesyłkach pocztowych) ? mówi prof. dr hab. Wojciech Knap.

Istnieje jednak kilka istotnych przeszkód dla zastosowania promieniowania THz. Naturalne naziemne źródła fal THz są niezwykle słabe, a sztucznie wytworzone emitery laserowe THz wymagają chłodzenia kriogenicznego, w związku z czym są duże, ciężkie i energochłonne. Problemem są nie tylko emitery, ale także detektory tego promieniowania. Ultraczułe czujniki THz są obecnie z powodzeniem stosowane w astrofizyce, jednak są one uciążliwe w obsłudze, choćby dlatego, że również wymagają chłodzenia kriogenicznego.

Dopiero pod koniec XX wieku przedstawiono prototyp wysokiej jakości półprzewodnikowych emiterów i czujników THz, wykorzystujących technologię diody Schottky?ego i działających w temperaturze pokojowej. Jednakże źródła THz oparte na powielaczach diod Schottky?ego nadal są zbyt masywne i zbyt kosztowne, a ponadto bardzo wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne. Ostatnio (przy znaczącym współudziale założycieli laboratorium CENTERA) zaproponowano detektory i źródła promieniowania THz oparte na standardowych tranzystorach polowych, a zatem na taniej i powtarzalnej technologii półprzewodnikowej. Z rozwiązaniami tymi wiąże się duże nadzieje, tym bardziej, że opracowano już kilka prototypów urządzeń, pozytywnie weryfikujących tę koncepcję. Ich właściwości i działanie nadal jednak muszą być ulepszone, tak by spełniały kryteria potrzebne do szerokiego zastosowania.

? Aby urządzenia te miały wartość komercyjną, należy poprawić w nich wartości stosunku mocy wytworzonej przez źródła do mocy zużytej, o co najmniej jeden rząd wielkości. Ponadto należy zapewnić dostępność wyprodukowanych wcześniej zintegrowanych detektorów matrycowych, w których piksele są zintegrowane z odczytami oraz opracować specjalne układy sprzęgania promieniowania THz (soczewki, anteny). Te trzy kwestie określają główne wyzwania, przed którymi stoi CENTERA. Aby je zrealizować, zamierzamy utworzyć interdyscyplinarne środowisko złożone z czołowych badaczy w dziedzinie fizyki, chemii, materiałoznawstwa, elektroniki, informatyki, telekomunikacji i nauk przyrodniczych. Specjaliści ci podejmą ścisłą współpracę zarówno w celu prowadzenia badań podstawowych, przesuwających granice naszej wiedzy na temat zjawisk związanych z promieniowaniem THz, jak i opracowania przełomowych koncepcji z zakresu generowania i wykrywania fal THz. Celem nadrzędnym jest opracowanie wersji demonstracyjnych i prototypów produktów rynkowych, nadających się do bezpośredniej komercjalizacji przez małe i średnie przedsiębiorstwa oraz przez dużych partnerów przemysłowych ? wyjaśnia prof. dr hab. Thomas Skotnicki.

To autorskie podejście zostanie wdrożone poprzez powołanie pięciu grup roboczych, obejmujących wszystkie etapy, od podstawowych badań naukowych przeprowadzonych na wysokim szczeblu, poprzez projekt komponentów, ich produkcję i testowanie, aż do innowacyjnych zastosowań komercyjnych i przemysłowych.

Strategicznymi partnerami CENTERA będą renomowane europejskie ośrodki badawcze: Uniwersytet Goethego we Frankfurcie (GUF, Niemcy), Instytut Elektroniki, Mikroelektroniki i Nanotechnologii w Lille (IEMN, Francja), Uniwersytet w Pizie i Instituto Nanoscienze w Pizie (Włochy), Laboratorium Charlesa Coulomba i Uniwersytet w Montpellier (Francja) oraz trzy zespoły z Japonii: RIKEN THz Center, Uniwersytet Tohoku w Sendai i Uniwersytet w Osace. Na poziomie krajowym projekt wesprze Politechnika Warszawska i Uniwersytet Warszawski, które zapewnią specjalistyczną wiedzę z zakresu nauk podstawowych (fizyki, chemii i biologii) oraz materiałowych, fotoniki, mikroelektroniki i integracji systemów (z naciskiem na optykę i anteny do zastosowań terahercowych oraz elementy półprzewodnikowe o wysokiej częstotliwości). CENTERA otrzyma również wsparcie nowoczesnego laboratorium zjawisk Terahercowych Wojskowej Akademii Technicznej. Planowana jest także ścisła współpraca z laboratorium CEZAMAT i Instytutem Technologii Elktronowej (ITE), jak również z polskimi firmami: VIGO, ORTEH, LEPOLAM czy ARIDA. CENTERA będzie też współdziałać z Instytutem Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie, gdzie planowana jest lokalizacja nowego MAB-u. IWC PAN, jako instytucja goszcząca, zapewni laboratorium CENTERA wsparcie laboratoryjne, biurowe, logistyczne, administracyjne i kadrowe.

Kim są założyciele Centrum Badań i Zastosowań Technologii Terahercowych CENTERA?

Prof. dr hab. inż. Thomas Skotnicki ? jest absolwentem Wydziału Elektroniki Politechniki Warszawskiej, a obecnie profesorem tej uczelni. Stopień doktora uzyskał w Instytucie Technologii Elektronowej w Warszawie, a habilitację w INPG Grenoble. Jest światowej rangi specjalistą w zakresie przyrządów półprzewodnikowych oraz zaawansowanych technologii mikroelektronicznych. Posiada wieloletnie doświadczenie zarówno jako naukowiec, jak i biznesmen. Pracował m.in. w słynnych laboratoriach badawczych CNET we Francji; wykładał w Ecole Polytechnique Federale w Lozannie (Szwajcaria), w Institut National Polytechnique w Grenoble (Francja) i w SUPELEC w Rennes (Francja). Przez 19 lat pracował w firmie będącej największym producentem układów elektronicznych w Europie ? STMicroelectronics, w której pełnił funkcję wiceprezydenta i dyrektora Programu Zaawansowanych Przyrządów i Technologii. Jest wiceprezesem zarządu ds. operacyjnych i programowych oraz dyrektorem konsorcjum CEZAMAT (Centrum Zaawansowanych Materiałów i Technologii) w Warszawie. W latach 2001-2007 pracował jako edytor w amerykańskim magazynie IEEE Transactions on Electron Devices. Autor lub współautor ponad 350 artykułów naukowych, posiadacz ponad 85 patentów. Ma tytuł IEEE Fellow oraz STMicroelectronics Company Fellow.

Zdjęcia: Prof. dr hab. Wojciech Knap fot: Pavlo Sai / Prof. Thomas Skotnicki fot: Zbiory CEZAMAT