Квантовые точки намерены отправиться в Космос (статья из бюллетеня ПЕРСТ N18, 2000).
Полупроводниковое материаловедение в космосе чаще связывают с выращиванием совершенных (однородных, бездефектных и беспримесных) полупроводниковых монокристаллов в условиях невесомости или микрогравитации, сводящей к минимуму влияние конвекционных процессов. Более интригующим фактором открытого космоса является возможность создания в нем условий сверхглубокого вакуума. Реальный космос, представляемый как высоковакуумная среда, пронизывается потоками высокоэнергетических частиц, атомов, молекул и микрометеоритов, а вблизи космических объектов (спутников, станций) еще и веществом, испаряемым от их стенок и генерируемым двигателями ориентации.
Идея использования молекулярного экрана для получения ультравысокого вакуума в космосе на низких орбитах принадлежит американским ученым. Вероятно, первым был Р.Н. Костоф (1970), который описал существо идеи. Затем про нее забыли, и только в 1976 году Л. Мелфи с соавторами без ссылок на Р.Н. Костоф провели теоретический анализ состояния газовой среды вокруг летящего в пространстве полусферического экрана и сформулировали концепцию орбитальной лаборатории со сверхразреженной средой. Эта работа проводилась при поддержке НАСА. Расчеты авторов показали, что если в космическом пространстве на высоте 200 - 400км (как раз там, где летают орбитальные станции) с первой космической скоростью будет двигаться экран (полированный диск из нержавеющей стали), то в его кильватерной области образуется конусный след, практически лишенный вещества. С помощью молекулярного экрана можно получить такое разрежение, что появление одного атома кислорода (кислород - основной компонент газовой среды на высоте орбитального полета космических станций) на площадке в один квадратный дециметр придется ожидать миллион лет. Все давление за экраном будет определяться атомами гелия и водорода, источником которых является Солнце, а также веществом, испаряющимся с поверхности самого экрана.
Но приоритет в формулировке этой идеи принадлежит, наверное, Аристотелю, который в 4 веке до нашей эры выразился примерно так: "Пустота (вакуум) - это есть пространство, которое образуется в следе камня, выпущенного из пращи, правда, она моментально исчезает, поскольку сюда устремляются частицы из окружающего пространства ...". Аристотелю надо было только закончить эту мысль так " ... и если мы разгоним камень до скорости, сравнимой со скоростью всех частиц окружающей среды, то за ним в полете всегда будет существовать абсолютно пустое пространство", и тогда можно было бы считать его автором нового способа получения сверхглубокого вакуума.
Численные расчеты эффекта молекулярного экрана специальной конструкции для использования в составе космической станции "Мир", принадлежат сотруднику РКК "Энергия" Льву Зворыкину (да, вы угадали, действительно, потомку изобретателя современного телевидения). Это устройство своеобразным образом выполняет одновременно функции и насоса, и камеры. Плоский жесткий экран, движущийся в пространстве с первой космической скоростью, задерживает молекулы веществ, находящихся перед экраном по направлению полета. Отсюда его название - молекулярный экран. Идеальная для эпитаксии вакуумная среда, формируемая в пространстве за молекулярным экраном, не может быть принципиально достигнута в земных условиях. Совместными усилиями сотрудников РКК "Энергия", Института электросварки им. Е.О.Патона и отдела Олега Пчелякова (ИФП СО РАН) конструкция экрана была значительно усовершенствована, сведясь к ажурному зонтику диаметром около 3-х метров. На спицы этого космического зонтика натянута многослойная фольга, защищенная особым покрытием, предотвращающим испарение с экрана. Пчеляков предложил использовать вакуумную среду, формируемую за этим зонтиком, для проведения процессов молекулярно-лучевой эпитаксии на станции "Мир" и на Международной космической станции.
Разработки космического комплекса для молекулярно-лучевой эпитаксии начались в отделе Пчелякова в ИФП СО РАН в 1996 году. Уже в 1998 году там был разработан стенд-имитатор космического пространства и установки МЛЭ с учетом условий космической станции "Мир". Надо заметить, что первые эксперименты по испытанию материала будущего космического зонтика уже проводились сотрудниками РКК "Энергия" во время одной из экспедиций на станцию "Мир", да еще и в трудный период усиленных "звездных дождей" Леонид из созвездия Льва. Выбранный материал экрана выдержал этот экстремальный поток. Несмотря на отсутствие дальнейшего финансирования, в ИФП начались наземные эксперименты на стенде-имитаторе. В частности, отрабатываются процессы с газовыми пучками.
Далее слово самому Олегу Петровичу Пчелякову. "Сегодня проект "Экран" уже вошел в программу научных экспериментов на Международной космической станции (МКС). Это программа одна из немногих, которая, надеюсь, будет иметь коммерческую выгоду, несмотря на то, что все вещи, связанные с космосом, очень дорогостоящие.
Для удобства работы космонавтов мы предусмотрели специальные захваты, позволяющие удобно заменять подложки и источники с внешней стороны экрана без проникновения в чистую зону. На первых порах с помощью секторной заслонки мы сможем на одной подложке проводить сразу несколько экспериментов. Особенность наших экспериментов заключается в том, что мы будем параллельно и одновременно проводить эксперименты на двух установках - в космосе и на земле. Обе установки будут идентичны. Поэтому, наряду с космическим образцом, мы будем иметь контрольный, полученный в аналогичных, но земных условиях. У нас уже готов имитатор космического пространства.
Проект "Экран" у нас выполняется совместно с украинской фирмой Патона, которая с большим энтузиазмом стала изготавливать весь "металл", включая специальный лифт для космонавтов. Эта оригинальная конструкция может самораздвигаться, разворачиваться в космосе. Она представляет собой ажурную ферму, по которой будет перемещаться лифт. Космонавт, находящийся в лифте, сможет обслуживать этот эксперимент и еще несколько других, которые будут проводиться попутно. Эффект молекулярного экрана можно использовать не только для МЛЭ, но и для других процессов - технологических, биологических, в которых требуется особо чистая среда, бескислородная, безуглеродная. Природа подарила нам прекрасный материал, полупроводник, наиболее чувствительный к примесям из всех окружающих нас материалов, и особенно к кислороду и углероду. Поэтому в бескислородной и безуглеродной космической атмосфере мы надеемся получить материалы, особенно интересные своей неземной чистотой.
Основное коммерческое направление, как мне кажется, будет заключаться в изготовлении в космосе высокоэффективных преобразователей солнечной энергии для космических применений. Мы будем ТАМ изготавливать их и Там же применять. На МКС площадь солнечных батарей огромна, она сравнима с площадью футбольного поля. Есть желание поиграть на этом поле. В конструкции солнечных преобразователей свою роль могут сыграть и квантовые точки. Внедряя их в активную область преобразователя, мы надеемся получить значительное повышение его эффективности. В поддержку этого мнения есть и точные расчеты, и экспериментальные многослойные фотоприемные тестовые структуры, в которых видно, что эффективность преобразования с внедрением квантовых точек в активную область значительно возрастает. Внедренный квантоворазмерный объект в напряженной полупроводниковой матрице привлекает именно в нужную точку носители за счет встроенного заряда, встроенного поля, встроенных напряжений. Носители привлекаются сюда для рекомбинации, которая происходит с разделением во времени, и поэтому отсутствует разогрев, нет большой диссипации энергии. А эффективность очень высокая, потому что мы побуждаем носители (электроны и дырки) рекомбинировать именно в выгодном месте, специально создаем места для рекомбинации.
Начиная с 60-х годов планировались (в том числе американцами) эксперименты по использованию молекулярного экрана в космосе. Когда дело доходило до вывода эксперимента в космос, оказывалось, что пока нет в промышленности людей, заинтересованных в этом сверхглубоком вакууме. Что касается непосредственно идеи проведения молекулярно-лучевой эпитаксии в космосе, то сейчас существует два проекта - американский и наш. Американцы уже сделали 4-5 экспериментов в космосе и уже пытаются делать приборные структуры. Но, все же наша конструкция экрана и установки будет оригинальней, совершенней и экономичней.
Сейчас мы ищем инвесторов для финансирования проекта. У нас еще сохраняется надежда, что мы будем проводить эксперименты и на российской станции "Мир", на которой и начался наш прорыв в косм
Цитируется по http://perst.isssph.kiae.ru/Inform/perst.htm
