От инженера УрФУ Романа Шишкина зависит развитие российской электроники. В лаборатории УрФУ он работает над получением чистейшего нитрида алюминия — материала, который позволит увеличить мощность смартфонов, ноутбуков и даже девайсов на МКС, благодаря высокой теплопроводности.
Продукт, который выпускают российские производители сейчас, — некачественный и потому не может тягаться с зарубежными аналогами. Метод, придуманный в лаборатории, Роман оттачивал семь лет и потратит еще столько же до внедрения в производство.
Роман Шишкин — ведущий инженер лаборатории материаловедения и технологии материалов. Он разрабатывает технологию получения нитрида алюминия. Это керамический материал, который хорошо проводит тепло и совсем не проводит электричество.
Нитрид алюминия используют в электронике для изготовления корпусов и подложек интегральных схем, транзисторов. Алюмонитрид может спасти ноутбуки, которые шумят и «виснут» из-за перегрева внутренних деталей. Электронные платы помещают на прокладку из керамического материала, и он отводит тепло от горячей поверхности.
Еще одна область применения продукта — в светодиодах. Использование разработки екатеринбургских ученых снизит стоимость уличных фонарей. Количество светящихся элементов можно уменьшить, увеличив их мощность. Излишек тепла, который они будут выделять, отведет алюмонитрид. Тогда стоимость светильников понизится на 15–20%.
В промышленности есть несколько способов получения вещества, каждый из которых имеет серьезные недостатки. Роман Шишкин пытается отточить до совершенства новую технологию, которая позволит производить продукт без примесей и из доступного сырья. Ему помогают четыре специалиста.
О самом замечательном материале
Есть такое замечательное соединение — нитрид алюминия. Это соединение азота и алюминия. Оно выглядит как белый или светло-серый порошок. Его кристаллическая структура (то, как атомы азота и алюминия расположены в пространстве) — шестигранная призма. У него высокая теплопроводность (по сравнению с керамикой и металлами) и низкий коэффициент термического расширения (КТР). Чем выше значение КТР, тем больше материал расширяется при нагревании. Кроме того, нитрид алюминия не проводит электричество.
По данным японской компании, производящей нитрид алюминия, 60% выпускаемого в мире продукта используется в теплорассеивании. Его производят достаточно много — в 2015 году выпустили 1 тыс. тонн. И объемы только растут. Прогнозируют, что производство будет расти на 5% ежегодно — это связано с развитием электроники.
Использование нитрида алюминия может исключить нагревание смартфонов. Перед точным производством два пути — можно уменьшить рабочую температуру телефона благодаря использованию алюмонитрида или оставить температуру на том же уровне, увеличив мощность процессора — несмотря на то, что он будет греться сильнее, алюмонитрид отведет излишки тепла.
Проблема только в методах получения. У нас в стране есть старая технология — самораспространяющийся высокотемпературный синтез. Он выглядит как горение термита.
Это разработка Советского Союза. Производство дешевое, быстрое, замечательно масштабируется. Недостаток состоит в том, что продукт получается очень грязный. Если в нитриде алюминия будут даже небольшое количество примесей, то теплопроводность резко упадет. А именно за нее он и ценится.
Выходит, есть дилемма — либо очень дорогой порошок нитрида алюминия (от 1 тыс. долларов за 1 кг) с хорошими характеристиками, либо по приемлемой стоимости и непригодный для работы. Следовательно, необходимо удешевить производство и повысить качество продукта, и тут появилась идея.
О рождении идеи
Получить особо чистый алюминий можно с помощью дистилляции через субгалогенидные соединения. Берем трифторид алюминия — он выглядит как соль, смешиваем его с алюминиевой пудрой. При нагревании этой смеси образуется соединение, которое может существовать только в небольшом диапазоне высоких температур. Когда температура понижается, оно распадается: образуется чистый алюминий, а газообразный трифторид оседает на стенках.
У нас появилась идея: почему бы не подать туда азот? Так возник наш газофазный синтез. К соединению, которое я описал, подаем азот, и образуется нитрид алюминия, который нам нужен, и трифторид алюминия. Сейчас мы работаем над тем, чтобы добиться осаждения в разных зонах тигля, чтобы нитрид образовывался в одной части камеры, а трифторид в другой. По сути, будут расходоваться только алюминий и азот — это достаточно дешевые вещества.
Преимущества нашего метода: очистка алюминия, хорошая производительность, экологичность, доступное и безвредное сырье, простая в изготовлении аппаратура.
О самодельном оборудовании и продаже научных разработок
Установку для производства нитрида алюминия мы собирали самостоятельно. Корпусные детали и реакционную камеру нам изготовили по заказу. А мы затем организовали монтаж и пуско-наладочные работы. Часто элементарные вещи нам вытачивает токарь.
Сама установка состоит из нескольких зон — внизу для соли трифторида алюминия, над ней камера для расплава металлического алюминия, через которую соль испаряется. Внешний диаметр реакционной камеры — 174 мм, длина — около 1 метра. Периодически мы ее меняем, ремонтируем и переделываем. Для работы пришлось изучить принципы теплоизоляции, проектирования, собрать пульт управления и систему подачи газов, в общем, стать специалистом широкого профиля.
Часто мы применяем в опытах самые бытовые предметы. Например, микроволновки частотой 2,45 ГГц. От бытовых они отличаются мощностью. Кухонная микроволновка для опытов все же слабовата — у нее мощность 800 Вт. А промышленные могут быть мощностью несколько киловатт. В бытовой, например, мы можем разогреть чуть-чуть раствора, а в промышленной — вещества, которые не поглощают излучение.
Можно, конечно, и металлический порошок нагреть. Только микроволновка заискрит и может полететь магнетрон, поэтому не советую ставить такие опыты дома.
Есть такой конкурс «Умник», я его выигрывал в 2012 году. Я тогда занимался проектом по термопастам и работал с Уральским оптико-механическим заводом. Получил неплохие отзывы, но проблема в том, что в большом количестве я эти пасты пока сделать не могу, поэтому сейчас я отрабатываю масштабирование технологии, чтобы позже внедрить ее в производство, и тестирую термопасты на собственном компьютере. Может, когда-нибудь и на МКС термопасту запущу.
Загадывать, когда я закончу проект, сложно — может, светлая идея, которая не заметна с первого взгляда, придет только через какое-то время. Дедлайна у меня нет, но мне бы хотелось к середине 2020-х все доделать. Я уже семь лет работаю над производством нитрида алюминия и совершенствованием установок. Перед нами стоит сложная инженерная задача — нужно реализовать цепочку химических реакций, которые уже изучены. Сделать так, чтобы они произошли с необходимым результатом.
Все эти инженерные работы — изготовить установку, переделать ее, разобрать, собрать — занимают много времени. Еще больше уходит на планирование и решение задач. Даже сейчас у меня в лучшем случае проходит один эксперимент в неделю, хотя все работает и не нужно что-то чинить. День-два нужно на подготовку, еще день на проведение, потом сутки на разгрузку. Ожидание результатов, анализ предыдущего эксперимента и прогноз — все требует времени.
Иногда люди работают над одним проектом десятки лет, ведь это длинное и кропотливое занятие, а не потому, что ученые ленятся и чаи гоняют. Могут быть трудности, в том числе недостаток финансирования, — тогда больше времени уходит на то, чтобы выкрутиться и продолжить исследование всеми возможными способами.
