Fizinių mokslų srityje 2014 m. Lietuvos mokslo premijomis apdovanoti Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Radiofizikos katedros tyrėjai prof. Daumantas Čiplys, doc. Romualdas Rimeika ir doc. Vytautas Samulionis. Mokslininkai įvertinti už darbų ciklą „Aukštadažnės akustinės bangos feroelektriniuose kristaluose, plačiatarpiuose puslaidininkiuose ir nanostruktūriniuose dariniuose (1999–2013)“. Autoriai vieni pirmųjų pasaulyje pažangius aukšto dažnio tūrinių ir paviršinių akustinių bangų metodus pritaikė modernių šiuolaikinių medžiagų tyrimams. Su prof. D. Čipliu ir doc. V. Samulioniu kalbamės apie jų mokslinę veiklą ir atradimus.

Kokios pagrindinės jūsų mokslinių tyrimų kryptys?

Daumantas Čiplys: Mūsų darbų sritis – fizikinė akustika. Akustika, t. y. garsų mokslas, yra labai plati: tai ir muzikinė, ir architektūrinė akustika, ultragarsas medicininėje diagnostikoje, hidrolokacija ir daugybė kitų. Mūsų specifika – fizikinių reiškinių nagrinėjimas taikant akustines bangas. Verta pabrėžti, kad mūsų naudojami garsai yra labai aukšto dažnio – dešimčių ir šimtų megahercų (milijonų virpesių per sekundę). Žmogus girdi tik iki 20 kilohercų (tūkstančių virpesių per sekundę) garsus. Taigi mūsų negirdimosios garso bangos yra tokios trumpos, kad leidžia efektyviai „pačiupinėti“ medžiagą sudarančius atomus, elektros srovę kuriančius elektronus, šviesos energijos kvantus – fotonus ir pan.

Kuo aukštadažnių akustinių bangų tyrimai apskritai svarbūs fizikos mokslui?

D. Čiplys: Išskirčiau kelis aspektus.

Pirma, akustinės bangos yra dar viena priemonė medžiagų savybėms ir procesams jose pažinti. Šie tyrimai reikšmingai papildo kitus eksperimentinėje fizikoje naudojamus metodus – optinius, elektrinius, rentgeno ir t. t. Akustiniais metodais gaunama ir tokia informacija, kurios negalima gauti kitais būdais, pavyzdžiui, žinios apie tampriąsias ar pjezoelektrines medžiagų savybes ir su jomis susijusius reiškinius. Be to, paviršinei akustinei bangai sklindant pjezoelektrinio kristalo paviršiumi, ją lydi elektrinio lauko banga. Tai sudaro galimybę naudoti šias bangas kaip patogų įrankį tiriamose medžiagose bekontakčiu būdu sukurti valdomą elektrinį lauką.

Antra, akustinių bangų sąveika su šviesa leidžia jas panaudoti modernių optinės spinduliuotės valdymo ir registravimo įtaisų kūrimui.

Trečia, paviršinės akustinės bangos yra labai jautrios paviršiaus, kuriuo jos sklinda, būsenai, todėl labai gerai tinka įvairių fizikinių, cheminių ir biologinių jutiklių kūrimui.

Buvote apdovanoti už ilgalaikį darbų ciklą. Kokias pagrindines mokslines išvadas padarėte? Ką atradote?

D. Čiplys: Pagrindinius rezultatus, gautus paviršinių akustinių bangų srityje, būtų galima suskirstyti į penkias grupes.

Nitridų fundamentalių akustinių parametrų matavimas. Tūriniuose AlN kristaluose ir GaN bei Al_xGa_1-xN sluoksniniuose dariniuose nustatėme elektromechaninio ryšio koeficientų, paviršinių akustinių bangų greičio, temperatūrinių vėlinimo koeficientų bei tamprumo ir pjezoelektrinių konstantų vertes. Tūrinius AlN monokristalus paviršinėmis akustinėmis bangomis mes ištyrėme pirmieji pasaulyje (anksčiau būdavo tiriami tik epitaksiniai sluoksniai ant kitos medžiagos padėklų).

Šviesolaidiniai ir akustooptiniai reiškiniai nitriduose. Nustatėme optinių modų GaN ir Al_xGa_1-xN šviesolaidžiuose efektinius lūžio rodiklius bei sklidimo nuostolius. Šiuos rezultatus pritaikėme sluoksnių charakterizavimui – t. y. jų storio, medžiagos lūžio rodiklio ir elementinėsAl ir Ga sudėties junginyje nustatymui.

Pirmieji pasaulyje realizavome ir ištyrėme šviesolaidinių modų difrakciją paviršinėmis akustinėmis bangomis III-grupės nitridų šviesolaidžiuose.

Paviršinių akustinių bangų sąveika su ultravioletine spinduliuote. Ultravioletinės spinduliuotės poveikį paviršinių bangų sklidimui stebėjome pirmieji pasaulyje. Išaiškinome šio poveikio fizikinius mechanizmus: akustoelektrinę sąveiką ir fototalpinį reiškinį. Naudodami aliuminio-galio nitrido epitaksinius sluoksnius, sukūrėme ultravioletinės spinduliuotės jutiklius, taip pat ir cinko oksido nanodaleles.

Nuotėkio paviršinių bangų akustooptika ir akustoelektronika. Ištyrėme naują specifinį bangų tipą – nuotėkio paviršines bangas heksagoniniuose AlN, kompoziciniuose AlN-LiNbO₃ ir trigoniniuose LiNbO₃ bei LiTaO₃ kristaluose. Svarbiausi originalūs rezultatai: anizotropinė šviesos difrakcija, šviesos poliarizacijos valdymas, akustoelektrinė sąveika nuotėkio bangų spinduliuotės atspindžio srityje. Savo tyrimus pritaikėme skysčių charakterizavimui ir identifikavimui.

Paviršinės akustinės bangos nanostruktūriniuose dariniuose. Ištyrėme paviršinių akustinių bangų sklidimą pjezoelektriniuose kristaluose su Meso-tetra (4 sulfonatofenil) porfirino (TPPS₄), hematoporfirino (Hp), grafeno bei grafito oksido nanosluoksniais. Stebėjome stiprų paviršinių akustinių bangų greičio ir silpimo atsaką į oro drėgmės pokyčius. Išaiškinome šio atsako fizikinius mechanizmus: mechaninį (masės apkrova) ir elektrinį (akustoelektrinė sąveika). Porfirinų pagrindu sukūrėme ypač sparčius oro drėgmės jutiklius ir pritaikėme juos žmogaus kvėpavimo registravimui. Pademonstravome grafeno darinių atsakus į  CO₂ dujas ir optinę spinduliuotę.

Daug tyrimų atlikote pirmieji pasaulyje. Kaip tapote šių sričių pionieriais?

Fizikinės akustikos tyrimams Vilniaus universitete pradžią davė akademikas Povilas Brazdžiūnas, daugelio mokslo sričių pradininkas Lietuvoje. Jo paskatintas, tuomet dar jaunas fizikas, o vėliau profesorius Evaldas Garška prieš 50 metų subūrė dar jaunesnių, bebaigiančių ar ką tik baigusių universitetą fizikų kolektyvą ir išplėtojo šiuos tyrimus. Mūsų darbas yra tęsinys to, ką pradėjo šie du garbingi mokslininkai.

Nitridų tyrimus pradėjome 1999 m. Tuo metu mes jau turėjome nemažą įdirbį tirdami paviršinių akustinių bangų sklidimą šviesolaidžiuose, suformuotuose ant ličio niobato ir tantalato paviršių. Paskutinį XX a. dešimtmetį kilo audringo susidomėjimo nitridais banga, kai plačiatarpio puslaidininkio galio nitrido pagrindu buvo pagamintas pirmasis mėlynos šviesos diodas. Už tai 2014 m. I. Akasakis, H. Amano ir S. Nakamura gavo Nobelio premiją. Visame pasaulyje mokslininkai ėmėsi tirti nitridų puslaidininkius tais metodais, kuriuos jie buvo įvaldę. Nitridai neaplenkė ir Vilniaus universiteto. Čia jų optinius tyrimus išplėtojo prof. Artūras Žukauskas su bendradarbiais, o mes pritaikėme akustinius metodus. Mums labai padėjo glaudus bendradarbiavimas su prof. Michaelu Shuru (Rensselaerio politechnikos institutas, JAV) ir JAV įsikūrusiu mūsų universiteto auklėtiniu Remigijumi Gaška, kuris kaip tik tuo metu plėtojo savo privačią kompaniją, tapusią pirmaujančia ultravioletinės šviesos diodų gamintoja pasaulyje. Svarų indėlį į šio darbo sėkmę įnešė fizikinės akustikos laboratorijos kolega Albertas Sereika, pasiūlęs ir įgyvendinęs daug svarbių inžinerinių sprendimų.

Ar, be Jūsų, Lietuvoje kas nors vykdo panašius tyrimus?

D. Čiplys: Lietuva yra nedidelė šalis. Todėl sunku tikėtis, o ir nereikalinga, kad panašūs tyrimai būtų skaidomi į kelias vietas. Kalbant apskritai apie akustinius tyrimus, Lietuvoje jie turi geras tradicijas. Visų pirma, reikėtų pažymėti Ultragarso institutą Kauno technologijos universitete. Šio kolektyvo pasiekimai ultragarsinių tyrimų srityje yra tikrai reikšmingi, bet jie nesidubliuoja su mūsų sritimi. Mes papildome vieni kitus ir keičiamės patyrimu.

Kokios įtakos jūsų darbai turėjo kitų mokslininkų tyrimams?

D. Čiplys: Vienas iš objektyvių mokslinės veiklos įvertinimo kriterijų yra tai, kaip šie darbai cituojami prestižiniuose moksliniuose žurnaluose. Mūsų darbai, už kuriuos paskirta Lietuvos mokslo premija, kitų mokslininkų cituoti beveik 400 kartų. Pasirodžius mūsų straipsniui apie ultravioletinės spinduliuotės poveikį paviršinių akustinių bangų sklidimui galio nitride, ir kitose pasaulio laboratorijose imtasi panašių tyrimų. Tai liudija daugiau nei penkiasdešimt mūsų straipsnio citavimų su nuorodomis „labai įdomus darbas…“ , „pirmieji atliko…“ ir pan. Galima tvirtinti, kad pasauliniu mastu inicijavome naują tyrimų kryptį.

Atskleidėte akustooptinio reiškinio pritaikymo galimybes. Paaiškinkite, kas tai per reiškinys.

D. Čiplys: Akustooptiniu reiškiniu vadiname akustinių bangų (garso) ir optinių bangų (šviesos) sąveiką. Žinome, kad šviesą galime traktuoti kaip dalelių, vadinamų fotonais, srautą. Ir į garsą (aukštadažnį!) galime žiūrėti kaip į dalelių, vadinamų fononais, srautą. Kai šie srautai susitinka, fotonai ir fononai susiduria, keičiasi dalelių sklidimo kryptis ir jų energija. Šviesa tampa valdoma akustinėmis bangomis. Šiuo principu veikia akustooptiniai įtaisai: moduliatoriai, keičiantys šviesos intensyvumą, deflektoriai, keičiantys šviesos sklidimo kryptį, ir derinamieji filtrai, keičiantys šviesos spektrą. Akustooptiniai įrenginiai pritaikomi optinėse komunikacijų ir signalų apdorojimo sistemose.

Kaip atliekami aukštadažnių akustinių bangų tyrimai feroelektriniuose kristaluose, plačiatarpiuose puslaidininkiuose ir nanostruktūriniuose dariniuose?

D. Čiplys: Pagrindiniai akustinės bangos parametrai yra jos greitis ir silpimas duotoje medžiagoje. Mūsų tikslas ir yra išmatuoti tuos parametrus ir jų pokyčius įvairiomis sąlygomis. Sukūrėme keletą eksperimentinių stendų, leidžiančių atlikti tokius matavimus įvairiais metodais, tiek elektriniais, tiek ir optiniais. Paviršinėms akustinėms bangoms sužadinti ir priimti reikalingi keitikliai, transformuojantys elektrinį signalą į akustinį ir atvirkščiai. Tokius keitiklius ant įvairių kristalų paviršių mes formuojame čia pat laboratorijoje fotolitografijos metodu, panašiu į naudojamą mikroelektronikoje.

Kokiose gyvenimo ir mokslo srityse pritaikomi jūsų tyrimų rezultatai?

D. Čiplys: Mūsų tyrimai orientuoti į taikymus elektronikos, telekomunikacijų, jutiklių technologijose, ateityje – biologijoje ir medicinoje. Šiuo metu vyksta mūsų sukurto kvėpavimo jutiklio patentavimo procesas. Gavus patentą, bus galima konkrečiau kalbėti apie diegimą.

V. Samulionis: Pasaulyje vis daugiau dėmesio kreipiama į nanotechnologijas ir kompleksinį medžiagos savybių panaudojimą naujuose įrenginiuose, atsiranda nauja pjezoelektrikų- puslaidininkių taikymo kryptis: naujos klasės elektroninių komponentų ir prietaisų kūrimui panaudojamos medžiagoje esančios puslaidininkinės ir pjezoelektrinės nanokristalų (nanosiūlų arba nanojuostelių) savybės. Tai atveria plačią naujų taikymų sritį. Ką tik pademonstruoti lauko tranzistoriai, diodai, jutikliai ir srovės nanošaltiniai, veikiantys lankstant klasikinio puslaidininkio-pjezoelektriko (tokio kaip ZnO) nanosiūlus arba nanojuosteles. Tokių naujų elektroninių komponentų esminis privalumas tai, kad kartu panaudojamas vidinis elektroninis ir mechaninis nanomedžiagų elgesys. Ši elektronikos sritis vadinama nanopjezotronika. Jos principas toks: lankstant nanosiūlą arba nanojuostelę, elektriniai krūviai atsiskiria – vienoje pusėje teigiamas krūvis, o kitoje – neigiamas. Tai leidžia ne tik valdyti elektroninius prietaisus (pvz., tranzistorius, diodus ir. t. t), bet ir kurti elektros srovės nanošaltinius. Tokie įrenginiai jau yra esminiai naujų elektronikos prietaisų elementai.

 Straipsnis publikuotas laikraštyje „Universitas Vilnensis“ (balandis, Nr. 2)