Приблизить человечество к эпохе новых экологичных, безопасных и мощных аккумуляторов, создать энергетику и электронику будущего — задача команды исследователей научно-образовательного центра «Функциональные наноматериалы» БФУ им. И. Канта. Ученые ведут разработку принципиально новых материалов для наноэлектроники, и спинтроники, исследуют и создают уникальные материалы упрочняющих покрытий для различных видов промышленности (строительная, металлургическая, фармацевтическая и т.д.).
Деятельность исследователей БФУ им. И. Канта нацелена на решение первой задачи Федерального проекта «Развитие научной и научно-производственной кооперации» Национального проекта «Наука», посвященной развитию компетенций НТИ, обеспечивающих формирование инновационных решений в области «сквозных» технологий.
«Сегодня в мире нет альтернативы аккумуляторам на основе токсичного лития, применяемых повсеместно - от смартфонов до электромобилей. Аккумуляторы в ближайшем будущем достигнут предела удельной мощности — это примерно 400 ватт*час / кг. Более того, невозможно игнорировать и размеры прибора — например, на сегодняшний день половина массы электромобиля приходится именно на аккумулятор. У индустрии есть запрос на показатели на порядок выше. Мы работаем над созданием материалов, которые позволят, скажем, зарядить гаджет за одну минуту на месяц вперед. Физики-теоретики уже смоделировали и описали такой материал. На исследователей-практиков возложена задача воплотить его в жизнь», — рассказал руководитель НОЦ «Функциональные наноматериалы» БФУ им. И. Канта Александр Гойхман.
Научный фоторепортаж показывает эксперимент создания уникальных наноструктур будущего, необходимых в области электроники, энергетики, медицины и др.
Для синтеза каждой наноструктуры ведется разработка и изготовление технологического вакуумного оборудования, заточенного специально под определенные научные задачи. В рамках эксперимента важны два условия: высокая температура и наличие потока кислорода низкого давления.
Инженерная группа проектирует и рассчитывает 3D-модель будущей установки. Некоторые элементы перед производством макетируются с помощью 3D-принтера.
Затем технологи изготавливают элементы оборудования, после чего инженеры проводят сборку и отладку установки. Длительный процесс разработки, проектирования и реализации установки может занимать от месяца до полугода.
Ученые выбирают материалы для исследования. В данном случае — это кремний и золото.
На специальном держателе крепится и загружается в вакуумную установку подложка, на которую будет нанесена наноструктура.
Ключевую роль в синтезе нового материала играет импульсное лазерное осаждение, с помощью которого будет выращена наноструктура. Процесс необходимо проводить при высокой температуре в условиях глубокого вакуума. Для адресного и бесконтактного нагрева используется инфракрасное излучение.
Для того, чтобы вырастить один атомный слой нового материала, необходимо примерно 10 лазерных импульсов по мишени. А для создания готовых наноструктур толщиной 10-50 нм необходимы уже десятки тысяч импульсов, что занимает примерно 30 минут.
Под воздействием лазерных импульсов материал мишени переходит в состояние плазмы. Программируя число лазерных импульсов по той или иной мишени в секунду, ученые управляют химическим составом формируемых структур.
Одновременно с осаждением материала в вакуумной камере под воздействием температуры на кристаллической подложке реализуется процесс «пар-жидкость-кристалл», в результате чего формируется уникальная трёхмерная структура. Под микроскопом полученная наноструктура напоминает лес грибов — кремниевые ножки с золотыми шляпками (размером всего несколько сотен атомов). Каждая такая частица из кремния и золота по сути уже может являться электронным компонентом (транзистором, элементом памяти, логики и даже мемристором).
Метод импульсного лазерного осаждения имеет существенное преимущество перед традиционными способами получения объемных сплавов. Это время - годы исследования материалов с подбором состава сокращаются до недель.
Невидимая человеческому глазу толщина полученной наноструктуры составляет 50-100 нанометров. Для сравнения, человеческий волос имеет толщину порядка 50 тысяч нанометров. Увидеть изображение тонкой пленки позволяет электронный микроскоп.
Исследователи определяют химический и фазовый состав, межатомное расстояние и функциональные характеристики (оптические или электрофизические свойства) наноструктуры. Для этого используются самые различные установки. Самый точный анализ структурных свойств позволяет сделать метод резерфрдовского обратного рассеяния, для реализации которого требуется огромная установка – ускоритель заряженных частиц.
