Исследователи Томского политехнического университета совместно с коллегами разработали новый метод получения наноструктурированной керамики на основе оксида галлия — ее применяют в газовых сенсорах и силовой электронике. Синтез материала занимает всего 10 секунд и не требует дополнительных модификаторов и катализаторов. Это делает итоговые образцы исключительно чистыми и снижает количество дефектов внутри их структуры.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№23-73-00108). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5,6).
В основе нового метода — получение керамики под действием мощного потока электронов с энергией 1,4-2,5 МэВ. Установка генерирует непрерывный пучок высокоэнергетических электронов, который выводится в открытую атмосферу через систему дифференциальной откачки и направляется на порошкообразную шихту (смесь порошкообразных материалов в определенных пропорциях — ред.). Эксперименты проводились на стенде ЭВЛ-6 в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.
За счет сканирования луча и движения тигля мы смогли облучить каждую элементарную область поверхности порошка в течение 1 секунды. Общее время синтеза для всей пластины размером 10×5 см не превышает 10 секунд. Для успешного протекания процесса необходима пороговая плотность мощности около 1,5 кВт/см². При этом, варьируя мощность электронного пучка и его энергию, можно управлять структурой керамики: при оптимальных параметрах эффективность синтеза достигает 100%, а масса готового образца составляет до 70 граммов. Размер образующихся кристаллитов при этом стабильно находится в нанометровом диапазоне — около 80 нм, это важно для создания чувствительных элементов электроники и оптоэлектроники,
— отмечает один из авторов исследования, профессор отделения материаловедения ТПУ Елена Полисадова.
По словам ученых, особый интерес вызвали люминесцентные свойства готовых образцов. Методом спектрометрии с временным разрешением в ТПУ изучили динамику спектра катодолюминесценции в ультрафиолетовой и видимой области и обнаружили «быстрое» и «медленное» свечение.
«Такое поведение связано с наличием в кристаллической решетке кислородных вакансий и более сложных дефектов (дивакансий), которые управляют переносом энергии, — добавляет профессор. — Простота, скорость и чистота радиационного синтеза открывают путь к промышленному производству наноструктурированных оксидных материалов с заданными дефектными центрами и высокими эксплуатационными характеристиками».
Полученная нанокерамика может применяться в электронике, солнечно-слепых фотодетекторах, сенсорике, сцинтилляционной технике и для прозрачных проводящих покрытий.
В исследовании принимали участие ученые отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Томского политехнического университета, Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева (Казахстан) и Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.