uk
uk
03
Гру

Досконалий алмаз – «із пробірки»

By
0

Кращі (й найсміливіші!) науковці завжди ставлять за мету покращити життя людства, створити матеріали, які дозволять здійснити «прорив» у роботі транспорту, медицини, космічного зв’язку тощо. І, можливо, завдяки таким матеріалам вдасться створити «вічну ядерну батарейку», потужності якої вистачить на тисячі років.

Саме такі матеріали – структурно досконалі монокристали алмазу з необхідними електрофізичними властивостями «вирощують» сьогодні вчені Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля (ІНМ) та Інституту фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України (ІФН). Їх проєкт «Розробка нових складів розчинників вуглецю для вирощування монокристалів алмазу в області термодинамічної стабільності з контрольованим вмістом домішок азоту і бору з метою створення концепційних конструкцій електронних приладів» переміг у конкурсі «Підтримка досліджень провідних та молодих учених» та отримав фінансування в розмірі 12 мільйонів гривень.

Алмаз – символ краси й міцності, але для науковців найціннішою є можливість створювати кристал із «заданими» параметрами. Керівник проєкту, головний науковий співробітник Інституту надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля, член-кореспондент НАН Сергій Івахненко пояснив, що в «науковій пробірці» можна виростити діелектрики, які не проводитимуть електричний струм, і напівпровідники, а якщо під час росту кристалів застосувати особливі умови легування (тобто додати необхідні домішки за необхідних умов), то алмази  проводитимуть електричний струм не гірше за метал! «Головною метою наших досліджень і є вирощування структурно досконалих монокристалів алмазу з контрольованим рівнем дефектно-домішкового складу, – пояснив Сергій Олексійович. – Якщо говорити просто, ми вирощуємо алмази з необхідними електрофізичними властивостями».

Де ростуть алмази у 20 каратів

Над вирощуванням досконалих алмазів  Сергій Івахненко  працює понад  двадцять років. На основі його досліджень розроблено технології виробництва кристалів, що не поступаються кращим природним зразкам і здатні замінити природну сировину в різних галузях промисловості. Сергій Олексійович – автор 39 авторських свідоцтв і патентів, його проєкти й розробки знають у багатьох країнах світу.

До речі, лабораторія інституту –  унікальна. У ній зібрано найсучасніше обладнання, яке дозволяє застосовувати тиск в 60-70 тисяч атмосфер та температуру 1300 – 1600 оС! «Сьогодні в лабораторії цілком реально виростити алмази до 20 каратів і більше, – з гордістю розповів науковець. – Для того, щоб пришвидшити ріст кристалів, ми розробили новий склад (і не один) металевих розчинників вуглецю. Отримані алмази не поступаються кращим природним зразкам!  А головне – завдяки контрольованим умовам вирощування алмази виростають саме такі, які потрібні для різних задач науки та промисловості».

Кристал за сто годин

У 2020 році, коли було оголошено перші конкурси НФДУ,  науковці влаштували брейм-штормінг, щоб обрати найперспективнішу тему. Вирішили, що найкраще об’єднати зусилля двох академічних установ та виконати проєкт, який має і фундаментальну, і прикладну складові.

Команда ІНМ складається з п’яти виконавців, серед яких четверо – молоді науковці. «Важливість проєкту – не лише у «ціні» алмазів та технологій. Молоді виконавці мають унікальну можливість отримати знання та досвід, а також – суттєву грантову підтримку, – наголосив Сергій Івахненко. – До речі, мені 71 рік, але в такому оточенні також почуваюся молодим».

Групу співвиконавців з ІФН очолює професор, доктор фізико-математичних наук Віктор Стрельчук, який певний час працював у США і Німеччині. Окрім нього до роботи залучено двох провідних науковців та шість молодих дослідників.

У кожної групи в команді – свої задачі. Науковці з ІНМ працюють над технологіями синтезу структурно досконалих кристалів (розробляють конструкцію ростової комірки, скла́ди розчинників вуглецю для необхідної швидкості кристалізації та отримання алмазів потрібного розміру тощо). Дослідники з обох установ оцінюють якість зразків, визначають варіанти «розкрою» кристалів, наступний етап – надання висновків про можливість використання алмазів та рекомендації щодо вирощування монокристалів із визначеними або зміненими характеристиками.

Вирощування однієї партії зразків триває 100-250 годин. «Ми плануємо отримати  структурно досконалі монокристали-напівпровідники  розміром до 15 мм та локалізувати односекторні зони росту розміром 4-7 мм, – зазначив Сергій Олексійович. – Цей результат дозволить отримувати від десяти до ста активних елементів із одного зразка».

До речі, результатами проєкту є не лише нові знання та рекомендації щодо вирощування монокристалів, а й створення конструкцій (макетів) електронних приладів на основі алмазів та обґрунтування можливостей їх використання.

Сім разів відміряй, один – відріж

І хоча до закінчення проєкту ще є час (він фінішує наприкінці 2022 року), команді вдалося здійснити наукові «прориви», а чимало напрямків дослідження можна схарактеризувати словом «уперше». Результати роботи викладено в  наукових статтях (одинадцять з них опубліковано,  дві подано до друку, ще дві на рецензуванні), і така кількість є ще одним свідченням обсягу й інтенсивності досліджень.

До речі, для того ж, щоб процес «розкрою» кристалів відбувався максимально ефективно, науковці розробили експресний метод мікрофотограмметрії. Завдяки цьому методу вдається отримувати реальні тривимірні геометричні зображення зовнішньої форми і внутрішньої секторальної структури кристалів алмазу та розподілу домішок. І – «відрізати» алмазні пластики для мікро- і нано- електронних приладів  абсолютно точно.

Час, що залишився до кінця проєкту, розписаний «до години». Дослідники планують вивчити умови формування односекторних зон росту необхідного розміру та легування; вдосконалити методи механічної обробки і полірування поверхні алмазних пластин; оптимізувати конструкції та робочі режими силових діодів Шотткі тощо.

За допомогою грантового фінансування буде оновлено й обладнання лабораторії. Зокрема, заплановано придбати надчутливий інфрачервоний детектор, лазерні джерела, спеціальні матеріали для ростових комірок апаратів високого тиску, кріогенні рідини для низькотемпературних досліджень, зонди для атомно-силової мікроскопії тощо.

«Вічна батарейка» – можлива?

Результати роботи в проєкті, на думку Сергія Олексійовича, важливі для розвитку нового напрямку електроніки. «Пристрої на основі алмазних напівпровідників потрібні сьогодні у багатьох галузях економіки, – переконаний дослідник. – Такі прилади допоможуть, наприклад, розв’язати проблему перетворення та передачі електроенергії в електротранспорті й промисловому виробництві. Кристали-напівпровідники чудово працюють у силових високочастотних пристроях космічного та авіаційного зв’язку. Алмазні діоди Шотткі витримують високу зворотну напругу, тому їх можна використати, зокрема, для створення детекторів нейтронів у реакторах атомних електростанцій».

Надзвичайно привабливою є й ідея створення «вічної ядерної» батарейки на основі алмазу із застосуванням так званого вуглецю-14. Період напіврозпаду цього вуглецю складає 5700 років, тому батарейки служитимуть майже вічно, що дозволить зберегти ресурси планети.

Для успішного впровадження в життя результатів проєкту, на думку Сергія Івахненка, потрібно створити Український центр розробки та виробництва алмазних напівпровідників та дослідне виробництво у співпраці з НВП «Сатурн».

Традиційно ми запитали керівника проєкту: що, на його думку, потрібно для перемоги? А також: на що він радить звернути увагу під час складання заявки?

Сергій Олексійович порадив максимально уважно читати, і найголовніше, виконувати всі конкурсні вимоги, адже багато проєктів на першому етапі відхиляють через невідповідність формальним ознакам. Окрім того, необхідно мати вагомий доробок, чудову ідею та конкретний план. «А ще для перемоги потрібно трішечки везіння, – усміхнувся вчений. – Якщо ви готові багато працювати й не пасувати перед труднощами, удача вам обов’язково посміхнеться».

НАЦІОНАЛЬНИЙ ФОНД ДОСЛІДЖЕНЬ УКРАЇНИ

Читайте також: