Wojskowa Akademia Techniczna prowadzi zaawansowane prace nad półprzewodnikami wykorzystywanymi do konstruowania detektorów umożliwiających m.in. wykrywanie nowotworów na podstawie różnicy w temperaturze tkanek lub składu pierwiastków odległych gwiazd. Z dr. inż. Jarosławem Wróblem, kierownikiem projektu, który ma na celu opracowanie nowych koncepcji charakteryzacji transportu kwantowego w złożonych heterostrukturach półprzewodnikowych rozmawia Marcin Wrzos.
Czym właściwie są półprzewodniki?
To grupa materiałów, która zrewolucjonizowała zarówno przemysł, jak i nasze codzienne życie. Ich popularność wynika z nieustannej potrzeby miniaturyzacji rzeczy, które nas otaczają. Tak było m.in. w przypadku pierwszych układów logicznych, które pracowały kiedyś na układach mechanicznych lub później lampach i zajmowały całe pokoje. Dzisiaj grubość ludzkiego włosa jest czymś ogromnym w porównaniu z wymiarem jednej bramki logicznej wykonanej z materiałów półprzewodnikowych. Jest to możliwe dlatego, że ta klasa materiałów umożliwia przełączanie sygnałów elektrycznych w zależności od tego jaki zestaw sygnałów pobudzających podłączymy do jego wejścia. Naukowcy dość szybko zorientowali się, że istnieje możliwość wytwarzania różnych układów przełączających na tym samym kawałku materiału półprzewodnika, budowania z nich sekcji funkcjonalnych, a sekcji funkcjonalnych w całe układy obliczeniowe.
Gdzie znalazły zastosowanie?
Są wszędzie, bo teraz nawet budzik czy szczoteczka do zębów jest „inteligentna” i koniecznie musi coś liczyć w tle. Oznacza to, że rynek jest ogromny i będzie jeszcze większy, bo już teraz zaczynają wchodzić do codziennego zastosowania rzeczy zgodne z koncepcją „Internetu rzeczy”.
Nasza grupa zajmuje się małym fragmentem całości zagadnień związanych z półprzewodnikami. Najbardziej interesują nas takie, które w efektywny sposób reagują elektrycznie na sygnał optyczny 
z zakresu promieniowania podczerwonego. Dzięki tej właściwości umożliwiają one konstruowanie detektorów, wykorzystywanych później do akwizycji sygnałów, z których można rozpoznać różnicę temperatur tkanek zdrowych i nowotworowych bez ich wycinania, skład chemiczny substancji, a nawet odległych gwiazd, obecność narkotyków w torbie bez jej otwierania i wiele innych rzeczy.
Skąd pomysł na projekt?
Inspiracją do jego napisania były zaobserwowane przeze mnie możliwości techniki pomiarowej znanej w literaturze jako „analiza widm ruchliwości” (ang. mobility spectrum analysis – MSA). Jej główna użyteczność polega na dokładnym wnioskowaniu o tym jak transportowany jest ładunek elektryczny w materiałach półprzewodnikowych. Przy czym precyzja tego wnioskowania jest znacznie większa niż w typowych technikach do wnioskowania o parametrach transportu elektronowego.
A mówiąc bardziej obrazowo?
Gdybyśmy mieli stosować daleko idące analogie, to transport nośników ładunku można by było porównać do transportu nieczystości płynnych w oczyszczalni ścieków. W zwykłym przypadku pomiarowym, wynikiem byłaby liczba mówiąca o tym jaka jest koncentracja osadów w standardowej wielkości basenie i w jakim tempie można go przepompować przy określonej mocy pomp. Jeśli jednak kogoś interesowałoby jakie są frakcje tych nieczystości i w jakim tempie przepływa każda z nich, to zwykłe metody zawodzą. Wtedy ujawnia się główna przewaga MSA.
Co przesądziło o złożeniu wniosku?
Po głębszym przeanalizowaniu założeń techniki pomiarowej MSA zrozumiałem, dlaczego tylko kilka ośrodków na świecie zajmowało się nią w sposób regularny. Poza główną zaletą, polegającą na znacznie większym potencjale do wnioskowania o badanych materiałach i przyrządach półprzewodnikowych, ma szereg wad. Największą z nich jest skomplikowana preparatyka próbek, czasochłonność całego procesu zbierania i przetwarzania danych oraz interpretacji końcowej postaci wyników. Uznałem, że zadanie jest na tyle trudne i kosztochłonne, że idealnie spełnia kryterium odstraszania przed prostym naśladownictwem badaczy idących na skróty. Warto było zatem podjąć próbę zbudowania grupy badawczej wokół tego rdzenia tematycznego.
Jak dużym budżetem dysponował projekt?
Ze środków ówczesnego Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu „Regionalna Inicjatywa Doskonałości” uzyskaliśmy finansowanie w wysokości 4 589 200 zł. Zaproponowany przeze mnie temat dotyczył „Opracowania i weryfikacji eksperymentalnej nowych koncepcji charakteryzacji transportu kwantowego w złożonych heterostrukturach półprzewodnikowych” a jego realizacja została zaplanowana na okres od 1 września 2019 r. do 31 grudnia 2022 r. Ostatecznie jednak, ze względu na utrudnienia spowodowane COVID-19 
zakończenie projektu zostało przedłużone do końca 2023 r.
Kto był zaangażowany w badania?
Na początku praktycznie wszyscy wykonawcy związani byli z Wydziałem Nowych Technologii i Chemii WAT, jednak w trakcie realizacji pojawiały się coraz to ciekawsze pomysły i dołączali naukowcy z Wydziału Cybernetyki WAT, Instytutu Optoelektroniki WAT, Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT oraz wielu innych jednostek naukowych i przemysłowych spoza WAT.
Jakie były główne założenia wniosku o finansowanie badań?
Ze względu na specyfikę programu „Regionalna Inicjatywa Doskonałości” wniosek zorientowany był nie tylko na stworzenie narzędzia badawczego, „służącego do kompleksowej analizy kanałów przewodności w złożonych, cienkowarstwowych strukturach półprzewodnikowych”. W trakcie realizacji projektu miałem również zadbać o rozbudowanie w Wojskowej Akademii Technicznej interdyscyplinarnej grupy badawczej w tej tematyce, opracowanie nowych procedur technologicznych i pomiarowych, a także stworzenie własnych algorytmów przetwarzania danych. Całość byłaby oczywiście niemożliwa bez istotnych uzupełnień aparaturowych oraz poszerzenia sieci współpracy naukowej w kraju i za granicą.
Jak przebiegało tworzenie zespołu badawczego?
Pierwotnie zakładaliśmy, że do realizacji zakładanych celów wystarczy podzielić wszystkich wykonawców na dwie podgrupy: technologiczną i teoretyczno-pomiarową. Szybko jednak okazało się, że skala przedsięwzięcia tak się rozrosła, że regularny udział kilkunastu osób musiał odbywać się w czterech podgrupach: technologicznej, pomiarowej, obliczeniowej i organizacyjnej.
Początek projektu i od razu sukces?
Najbardziej zaskakujące dla mnie było to, że to osiągnięcia podgrupy organizacyjnej jako pierwsze przykuły uwagę mediów. Związane ono było ze stworzeniem prostego i bezpiecznego narzędzia informatycznego do zarządzania zadaniami w grupach badawczych – TaskCtrl. W tym obszarze prym wiedli pracownicy Wydziału Cybernetyki: mgr inż. Michał Kapałka i dr inż. Paweł Moszczyński oraz obecny pracownik Instytutu Bezpieczeństwa i Obronności WAT – mgr Maciej Moszczyński. Burzliwe dyskusje na temat kompromisu pomiędzy bezpieczeństwem informacji, a ich dostępnością, okazały się tak zaawansowane, że za moją namową powstał artykuł naukowy umieszczony w czasopiśmie z grupy Taylor & Francis.
W 2023 r. nazwa „TaskCtrl” została zgłoszona przez Centrum Transferu Technologii WAT jako chroniony znak towarowy w Unii Europejskiej, a samo narzędzie jest używane codziennie w naszej pracy i udostępniane każdej grupie w WAT, która chce z niego korzystać. W tym miejscu trzeba również docenić duży wkład mgr inż. Karola Rudyka i innych pracowników Działu Informatyki WAT, którzy uruchomili i udostępnili zasoby serwerowe, na których działa aplikacja oraz nieustannie monitorują stan zabezpieczeń.
Jak przebiegały badania laboratoryjne?
W zakresie rdzeniowych prac w projekcie jednym z ważniejszych obszarów były zadania związane z projektowaniem geometrii, preparatyką i precyzyjnym montażem próbek na podstawkach dedykowanych do pomiarów w silnym polu magnetycznym. Obecnie mogę stwierdzić, że zrobiliśmy tak duży skok jakościowy, że nie odstajemy już od najlepszych ośrodków na świecie zajmujących się podobną tematyką. W ostatnich latach dość często zdarza się, że to my przygotowujemy dla innych ośrodków preparatykę i montaż próbek do różnego rodzaju pomiarów elektrycznych.
Podgrupa technologiczna zapewni patent?
W tym obszarze najciekawszym dla mnie wydaje się wątek związany z opracowaniem nowej metodyki procesowej dla mokrych trawień chemicznych półprzewodników. Na samym początku prac wydawało mi się, że z łatwością kupimy zautomatyzowane, gotowe urządzenie, które trzeba będzie jedynie zaprogramować pod specyfikę materiałów, z którymi pracujemy. Po długich poszukiwaniach okazało się, że jednak nie jest to takie proste. Wszystkie znalezione przez nas rozwiązania były albo dostosowane do skali przemysłowej – również ceną – albo nie spełniały nawet 
podstawowych kryteriów jakościowych. Doszedłem wtedy do wniosku, że powinniśmy spróbować wykonać takie urządzenie samodzielnie. Pierwotną ideę, o której dyskutowałem kilka lat wcześniej z mgr. inż. Andrzejem Kowalewskim, rozwinęli dr inż. Sławomir Dyjak, dr inż. Michał Grązka i nasz dyplomant mgr inż. Jakub Józwowicz pod czujnym okiem dr. inż. Jacka Boguskiego – jego promotora i jednocześnie koordynatora technologii w projekcie.
Zupełnie niesamowite było to, że już po pierwszej rundzie testów demonstratora, powtarzalność głębokości trawień dochodziła do poziomu kilkunastu nanometrów bez dodatkowych optymalizacji. Jest to wynik znacznie lepszy niż otrzymuje się często przy niskonakładowej produkcji mikroelektroniki. Całkiem nieźle jak na rozwiązanie „garażowe”. Z tego powodu postanowiliśmy starać się o ochronę patentową. Obecnie wniosek jest procedowany. Dodatkowym zyskiem, tym razem marketingowym, były także wygrane w kilku konkursach mgr. inż. Jakuba Józwowicza, który składał i testował demonstrator. Obronił się z wyróżnieniem i pracuje teraz w branży półprzewodnikowej dla firmy VIGO Photonics S.A.
Co jeszcze udało się osiągnąć?
W zakresie charakteryzacji również nastąpił znaczny postęp. Początkowo planowałem rozpocząć od, zdawało się pobocznego wątku dotyczącego badań jednorodności struktur półprzewodnikowych, który miał pozwolić na bardziej świadomy wybór miejsca cięcia próbek. Ostatecznie jednak okazało się, że temat jest na tyle atrakcyjny i zaniedbany jednocześnie, że postanowiliśmy je rozszerzyć. Drugi z naszych dyplomantów – mgr inż. Sebastian Odrzywolski przeprowadził w tym zakresie kompleksowe badania do pracy inżynierskiej w ścisłej współpracy z grupą ppłk. dr. inż. Bartłomieja Jankiewicza z Instytutu Optoelektroniki WAT. Osiągnięcia publikacyjne i konferencyjne tym razem zostały dostrzeżone i nagrodzone w konkursie ogólnopolskim na stypendium Ministra Obrony Narodowej za osiągnięcia naukowe.
Jakie były najważniejsze wyzwania podczas realizacji tego etapu projektu?
Głównym celem w części pomiarowej był jednak wybór nowej aparatury do akwizycji danych i opracowanie dla niej metodyki pomiarowej. Aby przyśpieszyć proces rozpoznania najnowocześniejszych metod w badaniach magnetotransportu, odbyłem ze współpracownikami miesięczny staż na Uniwersytecie w Zachodniej Australii. Pomogło mi to w zdiagnozowaniu trendów rozwojowych i opracowaniu docelowej konfiguracji sprzętowej – moim zdaniem znacznie lepszej niż ta, na której tam pracują. Mieliśmy trochę obaw, bo cześć z tych elementów została dostarczona lub wykonywana na zamówienie w czasie kulminacji obostrzeń covidowych. Ale ostatecznie udało się. Dysponujemy zupełnie unikalnymi możliwościami w zakresie charakteryzacji półprzewodników. Obecnie kończymy proces zgłaszania na uczelni dóbr intelektualnych związanych z tym systemem.
Nie sposób nie wspomnieć w tym miejscu również o roli dr. Sebastiana Złotnika. Przejął on ode mnie jakiś czas temu znaczną część obowiązków związanych z obsługą systemu i dodatkowo intensywnie pracuje nad jego rozbudową w obszarze charakteryzacji próbek o bardzo dużych rezystancjach. Wszystko na to wskazuje, że niedługo zyskamy zupełnie nowe możliwości charakteryzacji transportu elektronowego w materiałach o bardzo szerokich przerwach energetycznych tj. tlenki czy azotki.
Przeprowadzenie pomiarów to dopiero połowa sukcesu. Jak wyglądało opracowanie uzyskanych danych?
W zakresie szczegółowego zrozumienia dotychczas opisanych w literaturze modeli fizycznych, rozwinięcia ich i skonstruowania stabilnych numerycznie algorytmów, miałem chyba najwięcej obaw przed rozpoczęciem projektu. Wynikały one z tego, że po zebraniu całej dostępnej literatury naukowej na ten temat, zacząłem się obawiać, że czas potrzebny na wykonanie i przetestowanie własnych algorytmów, może być zbyt długi na realizację podczas jednego projektu. Okazało się jednak, że możliwość pracy w jednym miejscu dwóch profesorów: Jerzego Wróbla i Marka Kojdeckiego oraz jednego skrupulanta z umysłem szachisty, rozwiał te obawy już po pierwszym roku realizacji.
Niewątpliwym sukcesem jest zgłoszenie kilku autorskich algorytmów jako uczelniane know-how. Algorytmy te są znacznie szybsze i stabilniejsze niż te, które są znane w literaturze. Co więcej, w końcowej fazie projektu zostały one dobrze przetestowane na różnych klasach materiałów. Dotyczyło to nawet takich materiałów, co do których pierwotnie były wątpliwości czy modele są adekwatne, m.in. izolatorów topologicznych. Dyskusja na ten temat ukazała się na początku 2023 r. roku w formie artykułu naukowego w Physical Review B. Późniejsze zainteresowanie sprawiło, że profesor Jerzy Wróbel został poproszony o wygłoszenie w listopadzie tego roku referatu podczas Seminarium Fizyki Ciała Stałego na Uniwersytecie Warszawskim.
Projekt zbliża się do końca. Czy udało się osiągnąć wszystkie zakładane cele?
Patrząc na projekt jedynie od strony rozliczenia go zgodnie z umową, to już w połowie realizacji wiedzieliśmy, że nie powinno stanowić to problemu. Sumaryczna, względna liczba wszystkich zakładanych wskaźników jest obecnie na poziomie prawie 170% zakładanego celu. Składają się na nią artykuły naukowe, staże krajowe i zagraniczne, konferencje i inne aktywności.
Najbardziej wartościowy wydaje mi się jednak ostatni wskaźnik, w którym zaplanowałem przygotowywanie raportów z badań materiałów dla ośrodków, które chciałyby sprawdzić nasze narzędzie. W tej grupie znalazły się głównie reprezentanci środowiska naukowego, m.in. Instytut Mikroelektroniki i Fotoniki oraz Polski Ośrodek Rozwoju Technologii, znajdujące się w Sieci Badawczej Łukasiewicz; Politechnika Warszawska i Instytut Fizyki PAN.
Wykonywaliśmy również odebrane badania dla przedstawicieli przemysłu z sektora hi-tech. Bardzo budujące dla nas było to, że zainteresowanie badaniami było znacznie większe niż nasze realne możliwości wynikające z ograniczeń infrastruktury i czasu pracy urządzeń. Bardzo często dawało nam to możliwość przygotowania i wysłania nowych wniosków projektowych w konsorcjach na podstawie wykonanych wstępnych charakteryzacji.
Jakie są perspektywy na rozwój badań prowadzonych w ramach projektu?
Zainteresowanie możliwościami narzędzia jest coraz większe. Świadczy o tym fakt, że w ostatnich miesiącach byłem kilkukrotnie zapraszany do wygłoszenia seminariów w takich ośrodkach jak Łukasiewicz-PORT, Politechnika Wrocławska i Uniwersytet Rzeszowski. W zasadzie za każdym razem powstawały coraz to nowsze możliwości współpracy. W zakresie potencjału naukowego oceniam wybór tego kierunku rozwojowego jako bardzo dobry.
Co zmieniła realizacja projektu?
Całkiem dobrze rysują się perspektywy dalszego zacieśniania współpracy z przemysłem i odchodzenia od wiecznie niedofinansowanych badań podstawowych. Dzięki projektowi udało nam się dość głęboko zdiagnozować słabości, a zatem potrzeby, zarówno przemysłu wytwórczego materiałów półprzewodnikowych, jak i jednostek badawczych w Europie, współpracujących z tą branżą. Dysponujemy teraz dosyć dokładnym rozpoznaniem na jakich kierunkach rozwojowych znajdują się nisze rynkowe. Na niektóre z nich planujemy nakierować naszą uwagę w przyszłych celach rozwojowych grupy.
Obecnie mamy jednak świadomość, że proces dostosowania naszych możliwości do potrzeb przemysłu jest limitowany czasem wykonania kompletnej charakteryzacji. W najlepszym przypadku jest on rzędu 2 tygodni dla typowego zestawu oczekiwanych informacji. Wiem już jednak jak ten problem przezwyciężyć. Teraz trzeba jedynie zdobyć odpowiednie środki i zabrać się do pracy.
Marcin Wrzos
fot. Sebastian Jurek
***
Dr inż. Jarosław Wróbel pracuje w charakterze adiunkta badawczego w Instytucie Fizyki Technicznej na Wydziale Nowych Technologii i Chemii WAT. W 2016 r. obronił rozprawę doktorską na temat: „Wpływ właściwości supersieci InAs/GaSb na parametry detektorów podczerwieni”. Wcześniej, w 2008 r. tytuł magistra inżyniera uzyskał na kierunku fizyka techniczna w specjalności fizyka komputerowa (również WTC WAT). Tematyką pracy były wtedy „Wybrane metody numerycznego rozwiązywania równania Poissona dla heterostruktury półprzewodnikowej”.
Jarosław Wróbel był 4‑krotnie kierownikiem projektów badawczych i wykonawcą w ponad 20 innych. Jest współautorem około 30 prac indeksowanych w bazie Scopus oraz Web of Science. W większości z nich, będąc pierwszym lub drugim współautorem, został zacytowany w międzynarodowych periodykach średnio 8‑krotnie na pracę. Autor lub współautor ponad 20 wystąpień na krajowych i międzynarodowych konferencjach naukowych. Zrealizował 2 krótkie zagraniczne staże naukowe / inżynierskie: w Australii (University of Western Australia) i w Wielkiej Brytanii (Cryogenic Ltd.) oraz kilka krajowych. Ma w swoim dorobku aktualnie 5 zgłoszonych dóbr intelektualnych, chronionych prawnie w Polsce i Unii Europejskiej.
Jego główny obszar zainteresowań naukowych to fizyka ciała stałego – w szczególności fizyka półprzewodnikowych materiałów wąskoprzerwowych oraz struktury niskowymiarowe. W ostatnich latach szczególną uwagę skupił na takich klasach metod charakteryzacji, które umożliwiają wnioskowanie o parametrach wielokanałowego transportu elektronowego w strukturach półprzewodnikowych. Specyfika kierowanych przez niego projektów badawczych od 2018 r. to głównie badania przemysłowe z nastawieniem na poszukiwanie krajowych odbiorców instytucjonalnych i przemysłowych, oraz uczelnianych kooperantów zagranicznych.
