Научный коллектив Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) впервые в мире создал поликристаллические пластины с уникальными способностями. Материал на основе твердых растворов галогенидов серебра и таллия пропускает излучение в видимом и инфракрасном спектрах, а также в терагерцовом диапазоне частот.

Статья с описанием пластин опубликована в журнале Optical Materials.

Терагерцовое излучение проникает в живой организм, но, в отличие от рентгеновского, не причиняет вреда, так как не является ионизирующим. Источники терагерцового излучения с оптическими материалами для его передачи можно использовать вместо рентгеновских аппаратов и приборов магнитно-резонансной томографии в обследованиях головного мозга, сосудов, тканей, скелета, раковых опухолей. Кроме того, поликристаллические световоды (волокна), которые получили сотрудники научной лаборатории волоконных технологий и фотоники УрФУ, пригодны для диагностики заболеваний как верхних слоев организма (например, кожи), так и внутренних органов.

«В этом случае волокна на основе токсичного таллия не применимы. Зато волокна на основе галогенидов серебра абсолютно безопасны. Кроме того, они отличаются повышенной пластичностью, а значит — не нуждаются в сложной многослойной защите. Также намного легче стерилизуются, чем кварцевые или полимерные волокна», — подчеркивает младший научный сотрудник лаборатории УрФУ Анастасия Южакова.

Поликристаллические материалы химиков УрФУ также можно использовать в устройствах для сканирования людей и багажа, например, на вокзалах и в аэропортах.

«Открывается сразу несколько преимуществ: не нужно устанавливать дорогостоящие и громоздкие металлодетекторы, создавать очереди на подходе к ним, подвергать пассажиров вредному рентгеновскому излучению. Использование терагерцового излучения дает возможность проводить сканирование на расстоянии нескольких десятков метров — человек не почувствует и не узнает, что его “досматривают”», — описывает участник исследовательского коллектива, научный сотрудник лаборатории УрФУ Дмитрий Салимгареев.

Процесс изготовления поликристаллических пластин уникален. Вначале получают сырье — шихту, из которой выращивают кристаллы. Синтез обладает рядом преимуществ. Во-первых, цикл замкнутый, поэтому производство безотходное. Во-вторых, энергосберегающий, так как протекает при невысоких температурах. Главное — уже первая стадия синтеза дает высокую степень очистки шихты от примесей, близкую к 100% содержанию галогенидов серебра и таллия.

На втором этапе синтеза из шихты выращивают монокристаллы. Заготовки, вырезанные из монокристаллов и нагретые при температуре 150–200 ℃, помещают в пресс и подвергают нагрузке, эквивалентной 6–10 тоннам. Методом горячего прессования (также разработан в лаборатории) и последующим охлаждением исследователи получают поликристаллические пластины с поверхностью оптического качества, диаметром 1–2 см и толщиной от 300 до 700 микрон. Преимущественное содержание брома и хлора придает пластинам зеленовато-желтый оттенок, соединений таллия и йода — красноватый.

«Метод горячего прессования позволяет при небольших энергозатратах получить высококачественную — однородную и без дефектов — оптическую поверхность. Она не требует дальнейшей химико-механической обработки — шлифовки, полировки и так далее, а значит, и соответствующего дорогостоящего оборудования», — комментирует Дмитрий Салимгареев.

Мало какие кристаллические материалы способны охватить настолько широкий диапазон электромагнитных волн.

«Пропускная способность наших кристаллических материалов в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах достигает 76%. Это исключительный показатель. На сегодня в мире насчитывается всего три класса таких материалов — высокоомный кремний, сапфир и наши кристаллы на основе галогенидов серебра и таллия. Кроме них в терагерцовом диапазоне используются и некоторые полимеры, но они не обладают такой же прозрачностью, стойкостью к температурным нагрузкам и давлению», — поясняет Анастасия Южакова.

Проект реализован благодаря финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (государственный контракт № FEUZ-2020–0058, Н687/42Б.223/20) и Российского научного фонда (проект № 18–73–10063).