Работы ученых НИЦ “Курчатовский институт” в области реакторного материаловедения для атомной энергетики хорошо известны сообществу профессионалов во всем мире. А начиналось все с “горячей” материаловедческой лаборатории, организованной по приказу Игоря Курчатова в 1951 году для исследования радиоактивных делящихся и конструкционных материалов. За прошедшие годы в институте активно развивались НИР по обоснованию работоспособности и надежности канальных труб, графитовой кладки, тепловыделяющих элементов, корпусов практически всех реакторов на тепловых нейтронах, построенных в СССР и за рубежом с участием Курчатовского института.
Сегодня реакторные материалы и технологии — прерогатива Курчатовского ядерного технологического комплекса (КЯТК). Специалисты этого подразделения занимаются обоснованием работоспособности и надежности практически всех материалов элементов активных зон атомных реакторов на тепловых нейтронах, что необходимо для жизнеобеспечения атомной отрасли.
В этой публикации мы расскажем о том, как фундаментальные исследования в области радиационной физики, в частности открытие явления селективного изменения атомного состава и физических свойств тонкопленочных материалов под воздействием ускоренных ионов, привели к разработке инновационного метода изготовления наноустройств. Результатом должно стать появление уникальных технологий, позволяющих создавать многослойные микро- и наноструктуры для устройств различного назначения. С тонкостями данной работы читателей “Поиска” знакомит глава занимающегося вышеуказанной тематикой научного коллектива — заместитель руководителя КЯТК по реакторным материалам и технологиям, обладатель десятков российских и зарубежных научных патентов, профессор Борис Гурович.
— Борис Аронович, как вы подошли к открытию? Что послужило отправной точкой для исследований?
— Еще в 1990-е, когда атомная отрасль переживала не лучшие годы, стало понятно, что необходимо искать новые перспективные направления исследований, естественно, не отказываясь от решения задач отрасли. Был необходим рывок в будущее. Мы занимались реакторным материаловедением, влиянием облучения на поведение и свойства материалов и постепенно сформулировали задачу: нужно попытаться создать новый технологический подход, в основе которого лежат радиационные эффекты, для изготовления микроэлектронных устройств различного назначения.
— Почему именно микроэлектроника?
— Тогда многим стало очевидно, что будущее за микроэлектроникой. В значительной мере так оно и оказалось. Однако сейчас я эту часть будущего, как и многие другие члены научного сообщества, понимаю точнее — это поиск новых возможностей, связанных с использованием новых наноматериалов и созданием наноразмерных структур и устройств.
В общем, начиналась новая жизнь, и надо было искать адекватные ей направления движения. Поскольку мы изучали радиационные эффекты, встал вопрос, как использовать их облучение, чтобы управляемым образом формировать заданные функциональные композитные структуры произвольной геометрии и отдельные их элементы.
Первая идея была именно из этой области: сделать металлизацию для процессоров. Металлизация — это соединение функциональных элементов — транзисторов в процессорах — между собой. Если говорить просто, то идея заключалась в следующем: пучком электронов действовать на неравновесные алмазоподобные тонкие пленки, представляющие собой пересыщенный твердый раствор металла (который практически не имеет в данном случае растворимости). При этом там, где происходит воздействие пучка на пленку, можно было ожидать распада твердого раствора и появления металлической фазы в виде проводов. В Курчатовском институте в нашем подразделении был электронный микроскоп, с ним мы и работали: получили нанопровода диаметром 30 нанометров — оригинально и красиво.
— Технологию уже можно было реализовывать на производстве?
— К сожалению, нет: уже тогда на процессорах было примерно около 1 км соединений, соответственно, “тянуть провода”, чтобы производство одного процессора не занимало много времени, надо было быстро. Оценки показали, что если это “рисование” делать последовательно, например, на моем электронном микроскопе, то трудиться придется над одним процессором примерно 10 тысяч лет. Через полгода у меня появилась другая идея, она подтвердилась в экспериментах и оказалась значительно более универсальной, интересной и перспективной для использования в качестве технологического подхода.
— А в чем суть такого процесса?
— Брали двух- или многоатомные соединения и, облучая их ускоренными ионами, удаляли атомы определенного сорта. То есть мы занялись управляемым изменением химического состава вещества параллельно с изменением его физических свойств — только без химии. И… получилось. Дальше — больше: мы научились управляемым образом селективно удалять атомы определенного сорта из двух- или многоатомных химических соединений — от любых промежуточных ступеней вплоть до полного их устранения. Потом смогли производить реакции замещения и соединения атомов. Три основных типа химических реакций стало возможно воспроизводить механически.
— И 10 тысяч лет сократились до…
— Сегодня масштаб времени для неорганических материалов составляет около одной минуты, а для органических — в пределах десятка секунд. И это можно делать по большим площадям. На нашем оборудовании, например, мы делаем пластины диаметром 200 мм, но это не предел. Мы стали пробовать превращать всё: диэлектрик — в металл, полупроводник — в проводник и обратно, изменяли оптические, магнитные, электрофизические свойства материала и т.д.
— Эти изменения в материале стабильны?
— Да, есть уже экспериментальные данные, подтверждающие, что их стабильность может составлять многие годы. А если в некоторых случаях оказывается, что свойства изменяются при длительной выдержке, то мы наработали ряд подходов, которые позволяют их стабилизировать.
— Это было в начале 2000-х годов. Что было потом?
— Потом занялись очень малыми размерами и большими плотностями. Сначала экспериментировали с новым типом магнитной паттернированной среды для жестких дисков. Между прочим, ставили мировые рекорды плотности записи.
— Заинтересовался кто-нибудь, предложил вложить деньги в разработки?
— Все сложнее. Вначале это вызвало интерес. Были попытки перевести результаты исследований в плоскость коммерциализации, но до недавних пор этого не происходило. Тем не менее нам не раз реально помогали люди, которые это делали только потому, что им нравилось то, что мы делаем. Надо сказать, что это здорово воодушевляет и учит, как нужно вести себя по отношению к коллегам.
— На каком оборудовании работаете?
— Сегодня в нашем комплексе, как и в ряде других подразделений НИЦ “Курчатовский институт”, оно отличное. К тому же постоянно обновляется, приобретается новейшее, самое современное. За последние семь лет по инициативе директора НИЦ “Курчатовский институт” Михаила Валентиновича Ковальчука сделано очень много для модернизации и обновления экспериментальной базы. По существу создана принципиально новая база для полноценных междисциплинарных исследований. Например, в этом году наше подразделение получило атомный зонд, ФИП (фокусированный ионный пучок) — уникальные наноинструменты.
— То есть создание радиационных технологий, о которых мы говорили, не является вашей основной деятельностью?
— Параллельной. Эта деятельность производная, она выросла из основной — реакторного материаловедения, опыта решения проблем радиационного материаловедения. Но научное хобби постепенно переросло в самостоятельное направление, возросло количество внешних контрактов, в том числе с зарубежными партнерами: по атомным проектам у нас контракты с Болгарией, Финляндией, Китаем, Южной Кореей, США, Францией, Украиной, Венгрией, Германией и т.д. Например, один из последних контрактов с США заключен в период обострения санкций.
— Патентуете разработки?
— Конечно! С патентами у нас все хорошо: более четырех десятков, в том числе и зарубежных.
— Какие планы на будущее?
— Планов — громадье. Разработок достаточно, и постоянно появляются новые и очень интересные. Мы работали с органическими материалами — соответственно, можем делать облучением монохромную печать на различных материалах без краски, с разрешением десятки нанометров. Можем наносить скрытые магнито-паттернированные (из битов) изображения на купюры, паспорта и т.п. Эти изображения не перекрывают уже нанесенные. Их можно видеть сквозь купюру.
Мы продемонстрировали возможность создания принципиально нового процесса офсетной печати за счет изменений гидрофильности-гидрофобности на участках печатной формы радиационными методами без химии и проявителей. По сути, создали новый способ офсетной печати без использования вредной химии.
— В каких областях могут быть применены ваши разработки?
— То, что мы делаем, для меня крайне важно, и, конечно, хочется, чтобы у этого начинания было будущее. С моей точки зрения, кремниевые технологии отживают свой век. Тактовая частота процессоров последние годы практически стоит на месте. Та же история произошла с жесткими дисками. Плотность записи не меняется.
Сейчас, мне думается, новым направлением станут сверхпроводниковые процессоры. Поэтому активно и последовательно мы работаем над подготовкой всей элементной базы для того, чтобы создать этот новый процессор. Логические элементы начнем делать в ближайшее время, а основные базовые элементы процентов на семьдесят у нас уже готовы. Мне кажется, что нашей стране это нужно: необходимо создавать то, чего еще нет на рынке, работать на опережение.
— Только на процессоры ставите?
— Не только. Еще на оптические преобразователи, световоды, 3D — ИК оптическую томографию.
— А найдутся производители в России, которые смогут воплотить в жизнь эти идеи и разработки?
— Я верю, что найдутся. Мне кажется, что надо двигаться и пытаться, постоянно добавлять, демонстрировать новое и не ждать у моря погоды.
— Кому демонстрировать?
— Себе, в первую очередь. Конечно, надо публиковаться, патентовать, то есть создавать интеллектуальную собственность для Курчатовского института и для России в целом, действовать в соответствии с деловыми стандартами современной конкурентной среды. Это необходимо, на мой взгляд, потому, что конкурентоспособность — основная проблема нашей страны.
Курчатовский институт стал первым национальным исследовательским центром в нашей стране, и, как я уже говорил, у нас сформирована мощнейшая экспериментальная база, к нам активно идет молодежь. Это, по-моему, обязывает нас к адекватному энергичному ответу.
Беседу вел
Андрей СУББОТИН
Фото автора
Нет комментариев