«Создаем новые материалы, которых нет в природе». Репортаж из лаборатории НПЦ по материаловедению
Новости темы «Совместный проект и газеты «7 дней» Элитный карп на три килограмма. Узнали секрет рыбоводов ГО «Белводхоз» «Большая стройка держится не только на бетоне и стали»: коллектив ОАО «ПМК-212» о своем деле Сегодня один из флагманов белорусской науки занимается не только фундаментальными исследованиями, но и предлагает прикладные решения для высокотехнологических компаний. Среди заказчиков — ОАО «Интеграл», ОАО «Пеленг», ОАО «Завод «Оптик», ряд других отечественных и российских предприятий. Для них создают новые функциональные материалы с заранее заданными характеристиками, которые потом используют в производстве микроэлектроники и лазеров. Кроме того, в НПЦ по материаловедению проверяют и модифицируют узлы электроники, которые потом используются на орбите. Узнали, какие разработки наиболее востребованы в экономике.
Алмазные мастера
В просторной лаборатории НПЦ по материаловедению НАН Беларуси нам демонстрируют коробки с выращенными кристаллами различных форм и россыпь синтетических алмазов. Выглядит впечатляюще — как витрина в ювелирном магазине. Только назначение у этих камней — не столько радовать глаз богатых владельцев, сколько обеспечивать работу передовых отраслей экономики. Здесь стоит уникальная установка с китайским названием. Несмотря на достаточно скромные размеры, ее вес — около тонны. Эта машина единственная в Беларуси, разработчики больше не поставляют ее в другие страны.
— Вот — генератор водорода, а под окном у нас источник углерода — метан. Мы запускаем их в специальную камеру и подбираем уровень плазмы, чтобы над самой поверхностью металлической подложки с затравкой шло разложение метана. Он распадается на углерод и водород. Затем водородная часть сгорает в плазме и не дает окисляться углероду, который конденсируется на холодной части подложки и выпадает в виде алмазов, — рассказывает заместитель генерального директора НПЦ по материаловедению к. ф.-м. н. Олег Игнатенко. — Когда подложка охлаждается, алмаз отходит от нее.
В руках ученого круг 50 мм в диаметре с шероховатой поверхностью. Это и есть выращенный поликристаллический алмаз. Полтора миллиметра вырастают за 10 дней работы установки.
Сегодня Беларусь входит в топ-10 стран, обладающих компетенциями в создании сверхтвердых материалов: искусственных алмазов и кубического нитрида бора. Они широко используются в промышленности, и не будь разработок белорусских ученых, предприятиям пришлось бы закупать их за границей за огромные деньги. Кроме уникальной газовой установки синтетические алмазы в НПЦ по материаловедению получают с помощью высоких давлений и температур. Сейчас в Центре работает новая установка, позволяющая за 10 дней выращивать до 30 карат монокристаллов алмаза. — Сегодня созданные с помощью газа алмазы — база для микроэлектроники. Их используют как теплоотводящий материал в силовой электронике, потому что основная проблема там — перегрев поверхностей. Еще несколько лет назад эта отрасль из-за перегрева подошла к своему техническому пределу, а искусственные алмазы позволяют его преодолеть. Кроме того, они и сами выступают полупроводниками. У нас в разработке проект создания аналога p-n-перехода, чтобы делать полупроводники не из кремния, а из алмазов, — отмечает Олег Игнатенко.
Ученые подчеркивают: исследования начинались с разработки сверхтвердых материалов для абразивного, режущего, лезвийного инструмента, паст для шлифования. Сейчас идет этап использования алмазов для охлаждения — за счет высокой теплопроводности. На подходе — их применение в микроэлектронике в качестве рабочего элемента вместо кремния. Искусственные камни подходят для этой цели лучше натуральных.
— Основная проблема природного алмаза в том, что каждый камень уникален, как отпечаток пальца. В производстве микроэлектроники это серьезная проблема. Однако одна из наших научных работников сумела вырастить серию из 50 одинаковых камней. Отклонения в них минимальны, что открывает дорогу к созданию полупроводниковых приборов, — отмечает Олег Игнатенко.
Самая дорогая часть лазера
— Для производства лазеров растим оптические кристаллы. В Лиде работает ОАО «Завод «Оптик», которому требуется отработанная технология синтеза. Мы осуществляем научное сопровождение при создании новых химических составов для монокристаллов в плане матрицы, которую потом наполняем ионами редкоземельных элементов: тербия, тулия, лютеция и других — для придания им заданных свойств, — рассказывает ведущий научный сотрудник объединенной лаборатории радиационных воздействий к. ф.-м. н., доц. Юрий Радюш. — Берем матрицу и добавляем в ее структуру ионы редкоземельных металлов — они позволяют генерировать излучение с нужной длиной волны. Так, матрица с добавлением ионов неодима позволяет создавать излучение в ИК-диапазоне, условно безопасное для глаз. Лазеры на основе таких материалов применяются как в медицине, так и при дистанционном зондировании Земли.
На столе — полупрозрачный кристалл, который вопреки ожиданиям весит существенно больше, чем камень такого же размера. Исследователи поясняют: из-за того, что в нем содержатся ионы группы лантаноидов из периодической таблицы Д.И. Менделеева. Полученный кристалл — это калий-гадолиниевый вольфрамат, части которого станут источниками, генерирующими лазерное излучение.
Под каждый новый химический состав монокристалла необходимо подбирать свои условия синтеза. Технологию разрабатывают в НПЦ по материаловедению, а потом передают производителям в Лиде. Они в своих печах делают кристаллы в промышленных масштабах.
— Следующий этап работы — когда выращена буля — необходимо сориентировать монокристалл вдоль оптических направлений. Оптические оси не всегда совпадают с кристаллографическими. С помощью научных приборов и компетенций мы помогаем промышленному партнеру вырезать кристалл вдоль требуемого направления для максимальной генерации лазерного излучения, — поясняет Юрий Радюш. — Этот вопрос решается с помощью рентгенографии.
Ученый рассказывает, что огромный кристалл — булю — растят из небольшой заготовки, или затравки. Но, чтобы правильно его вырастить, он должен быть изначально правильно сориентирован:
— Для такой заготовки критичен плюс-минус один градус отклонения от кристаллографической плоскости. Если она сориентирована правильно — буля будет расти наиболее эффективно, и потом специалист сможет точно вырезать из нее рабочий элемент. Поэтому первая задача, связанная с рентгенографией, — определить правильность ориентации самой затравки. Если все хорошо, ее поместят в ростовую печь и в течение месяца вырастят из нее кристалл. Затем булю нарежут на части. Одни пойдут на следующие заготовки, а другие — на изготовление рабочих тел лазеров.
Полученное рабочее тело позволяет создавать лазерное излучение в определенном диапазоне частот. Оно — основной элемент промышленных лазеров, стоимостью в десятки тысяч долларов. Остальные узлы — питания и управления — на этом фоне стоят гораздо дешевле. Срок службы у кристалла для лазера — десятки лет, главное — не нарушать технологию его использования. Когда партия кристаллов готова, свойства каждого из них проверяют с помощью рентгеновского дифрактометра компании «АДАНИ».
— В этом устройстве на материал падает пучок рентгеновского излучения, взаимодействует с материалом и отражается в детектор. Это позволяет определить симметрию и расшифровать структуру материала, чтобы понять, какими свойствами он будет обладать, — поясняет ученый. — Мы создаем новые материалы, которых не бывает в природе, а рентгеновское излучение помогает проверять их свойства, чтобы предоставлять промышленности монокристаллы с необходимыми параметрами.
С прицелом на космос
В НПЦ по материаловедению есть несколько установок, генерирующих ионизирующее излучение, а также собственные ускорители электронов. Так, в специально оборудованном помещении возвышается куб универсальной гамма-установки «Исследователь». Внутри емкость с изотопом кобальт-60 с периодом полураспада в 5 лет. Он создает чистый спектр жесткого гамма-излучения, которое помогает в различных испытаниях.
— Установка позволяет определить стойкость интегральных микросхем к энергетическому излучению. Их мы проверяли для ОАО «Интеграл», — рассказывает заведующий отраслевой лабораторией радиационных воздействий к. ф.-м. н., доц. Григорий Римский. — Эта установка единственная в Беларуси. Примерно такая же есть в Объединенном институте энергетических и ядерных исследований «Сосны», но в нее микроэлектронику не поместишь. Она больше, и там нельзя контролировать геометрию поля гамма-излучения.
При проверке испытываемую плату помещают внутрь установки и облучают, чтобы проверить, как она себя поведет в «космических» условиях, в активном и пассивном режимах.
— Наша цель не просто определить, деградировала микросхема или нет, а отследить сам процесс деградации. Выяснить, что и на каких этапах начинает проявляться. Есть и противоположная задача — выяснить, как мы можем защитить изделие. Исследования проводим совместно с нашей лабораторией магнитных пленок, — поясняет Григорий Римский. — Работа позволяет создать цифровую модель, в которой разное ионизирующее излучение по-своему влияет на радиационную стойкость интегральных микросхем. Так, где-то может возникнуть и вторичное излучение, которое будет еще пагубнее влиять на оборудование.
Такие исследования проводят для ОАО «Пеленг» и ОАО «Интеграл». Кроме того, установка «Исследователь» используется для облучения кремниевых пластин с уже с нанесенными диодными и транзисторными структурами, чтобы придать им необходимый технологический функционал, изменить свойства кремния под заданные параметры. Позже из облученных пластин нарезают чипы.
— Вся электроника в космических аппаратах ведет себя не так, как на Земле. Там гамма-излучение, протоны и другие виды частиц. Они выводят из строя весь спектр полупроводников, которые к ним очень чувствительны. Поэтому гарантированный срок службы деталей спутников, даже с защитой, — около пяти лет, — рассказывает Григорий Римский. — Весь сателлит защитить не получится — подъем одного килограмма нагрузки в космос обходится более 50 тыс. долларов. Поэтому наша цель — определить, как лучше разместить локальную защиту, чтобы продлить срок службы спутника в два-три раза. Это многостадийная, сложная работа.
С помощью собранных данных ученые создают математическую модель, которую потом проверяют на практике.
— Теория — это математика, а она физики не знает. Поэтому нам необходим эксперимент, — подчеркивает ученый. — К примеру, даем 1 кГр (килогрей) ионизирующего излучения, а оборудование продолжает работать. Смотрим, что будет, если дать 10 кГр. Если результат отрицательный, мы понимаем, что пять лет микросхема на орбите не прослужит.
За массивной дверью, которая весит больше тонны, и извилистым лабиринтом, призванным гасить энергию случайно вылетевших частиц, расположен электронный ускоритель. Он разгоняет электроны до энергии в 2,5 МэВ. Внешне перед нами цилиндр в несколько этажей с очень толстыми металлическими стенками. Внутри ускорительная трубка, все пространство внутри которой заполнено элегазом (фторидом серы). Он используется в качестве изолятора, чтобы не возникало пробоев.
В подвале под ускорителем — облучательная камера. Там — предметный столик, на котором можно сфокусировать пучок электронов различной геометрии. В зависимости от задач его можно пустить или прямо, немного расширить, или снять развертку. Тогда электроны будут резать даже металлические пластины. Все зависит от поставленных задач.
Ученые могут в автоматическом режиме менять энергию электронов. Аналогов такого ускорителя в Беларуси нет. Кстати, потребляет он 160 кВт/ч — для сравнения, мощность электрического чайника — всего 2 кВт.
На практике ускорители используются в промышленности. К примеру, для сшивания полимеров при производстве бесшовных шин — электроны позволяют сделать их полностью монолитными. Кроме того, можно стимулировать прорастание сельхозкультур и убивать патогенные микроорганизмы. Так, клубника, облученная электронами, пролежит на прилавке не несколько дней, а несколько недель. Спектр задач — очень широкий.
— Наша ниша — работа с белорусскими производителями микроэлектроники и проведение различных исследований в рамках Академии наук, — поясняет Григорий Римский. — Так, к нам периодически обращаются другие организации и институты, которым необходимо модернизировать производимые материалы. В частности, к нам обращались из Института клеточной инженерии. Они внедряли в онкологические клетки различные наноразмерные материалы и активировали их с помощью электронов. Эту технологию планируют использовать для борьбы с онкологическими заболеваниями.
Заглянуть за горизонт
В НПЦ по материаловедению отмечают, что сегодня одна из целей деятельности учреждения — работа над заявками промышленных партнеров, среди которых флагманы белорусской промышленности — ОАО «Интеграл», ОАО «Пеленг» и ОАО «Завод «Оптик» и другие:
— Для них мы модифицируем их полупроводниковые приборы — кремниевые пластины — и придаем им свойства, необходимые для дальнейшего использования в микроэлектронике. Синтезируем материалы для создания лазеров, сопровождаем партнеров на этапе отработки условий синтеза, получения монокристаллов, а также выполняем работы по их ориентации.
У НПЦ по материаловедению есть также совместная отраслевая лаборатория с ОАО «Интеграл», где ученые помогают реальному сектору экономики отрабатывать новые технологии. В частности, получать и исследовать характеристики широкозонных полупроводников — нитрида галлия, карбида кремния, оксида гафния и алмазов:
— Сегодня мы уходим от индустриального применения последних к высокотехнологичному применению в качестве материалов для микроэлектроники. Следующий шаг — использование алмазов, как активных материалов полупроводниковых транзисторов. Есть такое понятие — загоризонтное видение. Оно четко отражает логику развития: не просто догонять, но и понимать, что будет в науке при следующем шаге. На столе — полупрозрачный кристалл, который вопреки ожиданиям весит существенно больше, чем камень такого же размера. Исследователи поясняют: из-за того, что в нем содержатся ионы группы лантаноидов из периодической таблицы Д.И. Менделеева.
Основная проблема природного алмаза в том, что каждый камень уникален, как отпечаток пальца. В производстве микроэлектроники это серьезная проблема.
Вся электроника в космических аппаратах ведет себя не так, как на Земле. Там гамма-излучение, протоны и другие виды частиц. Они выводят из строя весь спектр полупроводников, которые к ним очень чувствительны.
Алексей ГОРБУНОВ Фото Ярослава ЗАРЕЦКОГО
УНП 100029036
Размещение рекламы на
