LZA akadēmiķis Linards Skuja

Man ir liels pagodinājums iepazīstināt Jūs ar manu kolēģu un manu darbu un tā galvenajiem rezultātiem. Lekcijas nosaukums atspoguļo divus šo darbu galvenos akcentus: no vienas puses, stiklu, kā caurspīdīgu materiālu un no otras puses, - tā optiskās īpašības - kas tajā notiek ar gaismu, kā tas laiž to cauri vai izstaro - gaismas absorbcija un luminiscence, un kā pats stikls izmainās gaismas vai lielākas enerģijas radiācijas ietekmē.

Šajā lekcijā es gribētu īsi iepazīstināt ar:

• Motivāciju: kāpēc pētījumu fokuss uz ļoti šauri izvēlētu, šķietami vienkāršu pētījumu objektu?
• Galvenajiem rezultātiem: ko esam šajā laukā kopumā paveikuši?
• Kā, un ar ko kopā strādājot, tas ir noticis?

Motivācija. Dabā eksistē praktiski neierobežots daudzums dažādu neorganisku stiklu, kuru sastāvā var ietilpt desmitiem dažādu ķīmisku elementu. Piemēram, pazīstamā karstumnoturīgā stikla Pyrex formula ir 81SiO₂×12.5B₂O₃×4Na₂O×2.2Al₂O₃×0.02CaO. Triecienizturīgā moderno viedtelefonu ekrānus sargājošā Gorilla-glass stikla sastāvā ir vēl lielāks skaits - 12 oksīdu komponentes. Mūsu darbi lielā mērā veltīti tikai vienai, pašai vienkāršākajai oksīdu stiklu klasei: stiklveida silīcija dioksīdam, SiO₂, sarunvalodā arī sauktu par "kvarca stiklu". Šādai intereses koncentrācijai ir divi galvenie cēloņi.

Pirmais - fundamentālā interese: silīcija dioksīds ir viens no nedaudzajiem vienkāršajiem savienojumiem, kurš var pastāvēt gan monokristālu (piemēram, kvarca, kristobalīta u.c.) veidā, gan arī stiklveida/amorfā stāvoklī. Kristālu struktūru veidojošie atomi ir izvietoti regulāri izkārtotās grupās, kuras savukārt stingri periodiski atkārtojas telpā visos virzienos (tā sauktā translācijas simetrija), veidojot periodisku vidi. Šāda idealizēta periodiska vide tiek postulēta pusvadītāju fizikā, kas apraksta elektronu viļņu izplatīšanos kristālā, kas ir visu mūsdienu mikroelektronikas ierīču darbības pamatā. Efektus, ko izraisa periodiskuma zaudēšana, var teicami pētīt silīcija dioksīdā, jo pārvēršot kvarca kristālu par SiO₂ stiklu (piemēram, to izkausējot), izzūd periodiskums ("tālā kārtība"), bet saglabājas "tuvā kārtība" - katra atoma tuvāko kaimiņu skaits un izkārtojums ("SiO₄ tetraedri").

Otra, nesalīdzināmi svarīgāka silīcija dioksīda pētījumu motivācija ir tā pielietojumi. Tīrs vai leģēts silīcija dioksīds ir "atslēgas materiāls" virknē moderno tehnoloģiju, tai skaitā tajās, kuras ir visstraujāk attīstījušās un visvairāk izmainījušas mūsu dzīvi pēdējo gadu desmitu laikā: internets un silīcija mikroelektronika. No supertīra SiO₂ stikla tiek veidoti maģistrālie optisko šķiedru gaismas vadi, kuri pārvada interneta gigantiskās datu plūsmas. Sasniegtais gaismas zudumu līmenis (0.14 db/km) tajos ir tik zems, ka gaismas signāli labi saglabājas arī pēc 100 km gara ceļa pa stikla šķiedru. Par spīti daudziem pētījumiem pašlaik nav citu reālu alternatīvu materiālu šādu optisko šķiedru gatavošanai. Savukārt silīcija mikroelektroniskās ierīces nav domājamas bez amorfa SiO₂ kārtiņām, kuras iegūst oksidējot silīcija virsmu. Tās lieto gan kā dielektriskus izolējošus slāņus, gan kā maskas elektronisko mikročipu struktūras veidošanas procesos. Silīcija "uzvaras gājienu" mikroelektronikā pār vēsturiski pirmajām, germānija ierīcēm faktiski nosacīja nevis silīcija kā labāka pusvadītāja īpašības, bet gan izcilās SiO₂ oksīdu kārtiņu īpašības salīdzinājumā ar germānija dioksīda (GeO₂) kārtiņām, kas ļāva veidot kvalitatīvas mikrostruktūras. Tāpēc Kalifornijā ir "Silīcija" un nevis "Germānija" ieleja.

Tālāk - starp visiem stiklveida materiāliem SiO₂ stikls ir ar visplatāko tā saukto "aizliegto enerģiju zonu". Ja gaismas kvanta (fotona) enerģija ir mazāka par šīs zonas platumu, tad tas praktiski netiek vielā elektroniski absorbēts - un tāpēc SiO₂ stikls ir caurspīdīgs pat lielas enerģijas fotoniem, tas ir, ļoti īsu viļņu ultravioletajai (UV) gaismai. Arī tik īsu viļņu gaismai, kuru absorbē Zemes atmosfēra, un kas izplatās tikai vakuumā ("vakuuma ultraviolets"). Tas tiek lietots vairākumā īsviļņu UV pielietojumu, tādos kā baktericīdajās lampās un dzeramā ūdens attīrīšanas ierīcēs, virsmu attīrīšanai tīrtelpu tehnoloģijās, UV fotolitogrāfijā mikročipu ražošanā, spektroskopiskajos laboratorijas instrumentos u.c. Savas platās aizliegto enerģiju zonas dēļ SiO₂ stikls ir noturīgs pret daudzfotonu absorbciju un tāpēc ir viens no vislabākajiem optiskajiem materiāliem lielas jaudas lāzerstarojuma fokusēšanai un pārvadīšanai - no medicīnas un industriālajiem pielietojumiem līdz pat lāzer-aizdedzinātas kodoltermiskās sintēzes eksperimentiem. SiO₂ stikls ir visnoturīgākais pret jonizējošo radiāciju un rod pielietojumus kosmosā un kodolenerģētikā. Pēdējā laikā daudzi pētījumi tiek veltīti SiO₂ nanodaļiņām un nanostruktūrām. Visus šī materiāla daudzveidīgos pielietojumus šeit nav iespējams uzskaitīt.

Mūsu galvenie rezultāti. Virkne SiO₂ stikla izcilo īpašību, it īpaši optiskās, ievērojami pasliktinās, ja ideālā SiO₂ stikla struktūra, ko var iztēloties kā 3-dimensionālu nepārtrauktu "tīklu", sastāvošu no virsotnēs caur skābekļa atomu "tiltiņiem" savienotiem SiO₄ tetraedriem, tiek vietām lokāli izjaukta. Tas var notikt radiācijas vai lāzerstarojuma iedarbībā, nepareizas stehiometrijas vai piemaisījumu jonu ietekmē. Šādas vietas, kuru raksturīgie izmēri ir salīdzināmi ar starpatomu attālumiem (dažas desmitdaļas nanometra) ir tā sauktie punktdefekti (point defects). Punktdefektu klātbūtne bieži ir noteicošais faktors, kas nosaka stikla optisko īpašību piemērotību dotajam pielietojumam. Šo punktdefektu identifikācija un izpēte ir mūsu darba galvenais fundamentālais rezultāts.

Darbu stiklu fizikā es sāku savu universitātes kolēģu Andreja Siliņa un Anatolija Truhina vadībā, veicot Maskavas un Ļeņingradas institūtu pasūtītos darbus par daudzkomponentu optisko stiklu noturību pret radiāciju. Tas bija naudas darbs, diezgan neinteresants no stiklu fizikas viedokļa, jo pētāmie stikli bija ar pārāk sarežģītu sastāvu un pārāk daudziem nekontrolētiem piemaisījumiem, lai varētu nopietni noskaidrot defektu veidošanos tajos atomu struktūru līmenī. Mēs tāpēc diezgan drīz pārslēdzāmies uz šķietami vienkāršākiem tīra SiO₂ stikliem. Ņemot vērā jau minēto šo stiklu praktisko nozīmību, punktdefektu īpašības tajos, protams, bija jau daudz pētītas vēl pirms mūsu iesaistīšanās. Virkne defektu bija jau izpētīti ar elektronu paramagnētiskās rezonanses (EPR) metodēm, bet informācija par defektu optiskajām īpašībām, par spīti materiāla nozīmīgumam, bija mazpētīta un pretrunīga. Skatoties atpakaļ, šis paradoksālais stāvoklis ir izskaidrojams ar virkni objektīvu cēloņu - optiski aktīvo defektu identifikāciju kavējošām īpatnībām: nekonsekventas EPR-optisko signālu korelācijas, stikla nesakārtotības efekti, "Mērfija likuma" izpausmes - dažādu punktdefektu spektroskopisko signatūru nejaušas sakritības u.c.; kā arī ar zinātnē reizēm sastopamām tīri cilvēciskām vājībām - reiz izvirzītu hipotēžu nekritiskai pārņemšanai, kuras, daudzkārtīgi citējot, pamazām kļūst par šķietami pierādītām un grūti apgāžamām patiesībām.

Strādājot kopā ar daudziem kolēģiem, savos darbos mums ir izdevies kā pirmajiem identificēt vairāku praktiski svarīgāko punktdefektu SiO₂ optiskās īpašības. Vienkāršākais no tiem ir netiltiņa skābekļa defekts jeb norautā skābekļa saite (oksiradikālis, "NBOHC"). Ir izrādījies, ka tas ir arī viens no galvenajiem punktdefektiem, kuri visvairāk samazina SiO₂ stiklu optisko caurlaidību redzamajā un vidējā UV rajonos, un ka šis defekts rodas gan UV gaismas vai radiācijas iespaidā, gan optisko gaismas-vadu šķiedru izgatavošanas (vilkšanas) procesā. Cits mūsu identificēts nozīmīgs punktdefekts ir divkoordinēts silīcija atoms SiO₂ stikla tīklā ("SiODC"). Tā koncentrācija korelē ar skābekļa deficītu, un tāpēc bija pieņemts to saistīt ar skābekļa vakanci. Šim defektam pielietojumu aspektā tika pievērsta īpaša uzmanība, jo izrādījās, ka tā izoelektroniskais analogs, divkoordinētais germānija atoms spēlē centrālo lomu tā saucamo "Brega režģu" (periodisku laušanas koeficienta izmaiņu) veidošanā optiskajos gaismas vados. Tie tiek plaši izmantoti optisko sakaru tehnikā optisko signālu filtrēšanai un multipleksēšanā, optisko šķiedru lāzeros un sensoros. Mums ir izdevies izpētīt virkni "starpmezglu" molekulu (skābekli, ūdeņradi, hloru u.c., kuras SiO₂ stikla struktūras īpatnību dēļ var vairāk vai mazāk brīvi ceļot stikla tīklā un ietekmēt tā īpašības radiācijas apstākļos. Vispārinot iegūtos rezultātus, var teikt, ka punktdefektiem SiO₂ stiklā ir pārsvarā virsmas centru raksturs un daudz mazāka līdzība ar punktdefektiem SiO₂ kristālos, nekā tika sākotnēji pieņemts SiO₂ stiklu fizikā.

Cilvēki. Atskatoties uz paveiktajiem pētījumiem, var teikt, ka man tajos ir ļoti paveicies ar padomu un atbalstu no darba biedriem Cietvielu Fizikas institūtā: gan jau pieminētajiem pirmajiem vadītājiem Andreju Siliņu un Anatoliju Truhinu, gan Donātu Milleru, Jevgēņiju Kotominu, Andri Šternbergu un daudziem citiem labiem cilvēkiem, kurus šeit nav iespējams visus uzskaitīt. No ārzemju kolēģiem vislielākā loma ir Japānas kolēģiem Hideo Hosono un Koichi Kajihara, ar kuriem kopā ir publicēti vairāk nekā 50 darbi. Taču es gribētu ar īpašu cieņu pieminēt cilvēku, ar kuru man nav nevienas kopīgas publikācijas - ASV zinātnieku Dāvidu Griskomu, kurš ir bijis viens no SiO₂ punktdefektu pētījumu pamatlicējiem un vispāratzīta autoritāte šajā laukā. Viņš daudzkārt un pilnīgi nesavtīgi ir sniedzis savu atbalstu mūsu grupai, apciemojis Latviju vēl tajos gados, kad kontakti ar (post)padomju zinātniekiem varēja sarežģīt viņa attiecības ar darba devējiem - Jūras karaflotes laboratoriju (Naval Research Lab). Un viņa palīdzību nemazināja arī tas, ka daži mūsu pētījumi bija pretrunā ar viņa paša rezultātiem.

Saistībā ar šo balvu man nesen tika uzdots parastais jautājums - kāds praktisks labums no šī darba ir Latvijai? Uz to var labi atbildēt ar vēsturisku analoģiju - par preču uzraksta "Made in Germany" izcelsmi. Šādu uzrakstu uzspieda 1887. gadā Lielbritānijas parlamenta pieņemtais Merchandise Marks Act, lai brīdinātu savus pilsoņus no tolaik lētajiem un nekvalitatīvajiem no Vācijas importētajiem Zolingenas nažiem vai šķērēm salīdzinājumā ar Šefīldā ražotajiem, kas tajā laikā bija pasaules metalurģijas centrs un kvalitātes simbols. Laiki mainījās, un Made in Germany no brīdinājuma ātri pārvērtās par kvalitāti apliecinošu zīmolu. Eiropas Savienības mēģinājumi to aizvietot ar kopīgo "made in EU" sastopas ar Vācijas kompāniju pretestību. Turpretim Latvijas kompānijas, arī eksportējot pasaules klases produkciju, kā piemēram Līvānos ražotos optisko šķiedru kabeļus, tos labāk apzīmē ar "made in EU" "made in Latvia" vietā. Te absolūti neko nevar pārmest, tā pašlaik ir labākā tirgus stratēģija: Latvija vēl nav vispāratzīta kā augsto tehnoloģiju valsts. Šī atzīšana ir cieši saistīta ar to, kāds līmenis un starptautiskais prestižs ir Latvijas universitātēm un zinātnei. Mēs visi pie tā strādājam, un mēs visi kopā varam to mainīt.

Akadēmiķis L. Skuja Foto J. Brencis