Каскады что надо! Новые технологии преобразят микро- и наноэлектронику.

— Мы работаем с газами, которые используются в микро- и наноэлектронике для выращивания эпитаксиальных структур, из которых потом делают полупроводниковые устройства, — говорит Илья Владимирович. — Надо заметить, что методом осаждения из газовой фазы на подложку из кремния или другого полупроводникового материала создаются светодиоды, солнечные элементы и все изделия микроэлектроники. Мы имеем дело с газами для iPhone. Как-то жена сказала, что на первом нашем свидании я ее поразил рассказом об этом. Кто бы мог подумать! Речь ведь шла об обычном для меня деле. Но надо признать, что работа с такими газами требует осторожности, потому что, например, гидриды, хлориды и фториды кремния, германия, фосфора, азота, углерода и других элементов Периодической таблицы Менделеева пожаро- и взрывоопасны, а также токсичны. Ну и когда имеешь дело с веществами при повышенном давлении, то и здесь нужны знания и умение. Поэтому технике безопасности мы уделяем особое внимание. Иногда обходимся модельными системами, где опасные газы заменяют на безопасные инертные, например аргон. 

— С ростом производительности компьютеров повышаются и требования к чистоте используемых в их производстве газов. Например, чистота аммиака для производства высокоэффективных светодиодов за последние 20 лет выросла на несколько порядков. Попробуйте представить аммиак чистотой 99,99999%. Это означает, что на 10 миллионов молекул аммиака приходится только одна молекула примеси. А увеличение чистоты на порядок — довольно затратное мероприятие, так как связано не только с повышением степени очистки, но и с созданием новых методов доказательства этой чистоты и новых аналитических приборов. 

У нас был такой случай. Физики начали измерять проводимость структуры, сделанной с использованием нашего газа для проверки его чистоты. Они сказали, что у нас очень грязный газ, поскольку не удается измерить проводимость. Правда, потом добавили: “Или очень чистый!” Они даже специально загрязнили газ и только тогда смогли провести измерения — оказалось, что наш газ очень чистый! 

Обычно для очистки применяют двухфазные (например, дистилляционные и кристаллизационные), а также сорбционные методы. Температура кипения, скажем, моносилана минус 111оС, и процесс очистки должен проводиться при очень низкой температуре. А это требует больших энергетических затрат на то, чтобы ее поддерживать. В целом потребность в высокочистых газах относительно невелика, вместе с тем на их замораживание или размораживание уходят значительные экономические ресурсы. Необходима разработка новых альтернативных путей. Одним из них может стать метод, при котором газы разделяются из-за различной способности проникать через мембрану без фазового перехода. Мембрана представляет собой тонкую пленку или трубку из полимера, металла или керамики. Разделение происходит из-за разницы давления над и под мембраной. Достоинство мембранных методов также в том, что в одном аппарате только путем замены мембраны можно разделять совершенно разные по свойствам газы. А, скажем, дистилляционным способом это сделать трудно. И еще — масштабный переход от лабораторной установки к промышленным модулям разделения и очистки в этом случае осуществляется довольно легко — путем увеличения площади мембраны.

— Здесь следует сказать, что при всех своих позитивных энергосберегающих свойствах мембранные методы имеют и свои недостатки. Основной заключается в том, что обычно при большой производительности разделительная способность невелика, если ее повышать, падает производительность. Так вот, мембранные каскады — это один из способов снизить влияние этого недостатка. Они представляют собой объединение нескольких мембранных модулей в различные схемы. Это делается для увеличения производительности и разделительной способности. Часто разделительная способность нескольких небольших мембранных модулей выше, чем одного большого с площадью мембраны такой же, как и у небольших вместе взятых.

— В том варианте компоновки, которую предлагает наша группа в Нижегородском государственном техническом университете, используется мультипликативный разделительный эффект, а не аддитивный (когда разделительный эффект складывается). Теоретическую проработку провели еще лет десять назад, опубликованы работы в международных научных журналах Separation and Purification Technology, Desalination, а также в отечественных журналах “Доклады Академии наук”, “Теоретические основы химической технологии”, “Мембраны и мембранные технологии”.

Мы показали, что при определенной компоновке мембранных модулей и организации потока в них, и даже при использовании не самых лучших мембран, можно получить разделительный эффект больше и в тысячу с лишним раз снизить содержание примеси. 

— Заявку мы подготовили, основываясь на результатах проведенного ранее математического моделирования, выполненного нами, в том числе моими коллегами и учителями, в частности отцом — заведующим кафедрой Владимиром Михайловичем Воротынцевым. Поэтому сейчас мы создаем эти каскады, что называется, “в металле”, уделяя внимание и дизайну установок. Уже к концу года начнем получать большие объемы экспериментальных данных, поэтому придется уточнять исходные математические модели. Совместно с созданием новых установок много занимаемся и анализом. В нашем распоряжении большой и функциональный парк аналитического оборудования, как отечественного, так и зарубежного. Хочется отметить, что практически каждый прибор был модернизирован под наши собственные требования и нужды. У нас молодая команда специалистов, которые не боятся резать японские и немецкие приборы, встраивая в них наши модули для улучшения их работы в целом. Конечно, мы пытаемся расширять приборный парк. И мы это регулярно делаем, складывая деньги из различных проектов. Все фонды такое приобретение оборудования только поддерживают! Конечно, при сохранении объемов финансирования, в частности по гранту Президента России, доступность иностранного оборудования резко снизилась из-за курса валюты. Нам нужен был вискозиметр. Мы подали проект по зеленой химии под эгидой ИЮПАК, ЮНЕСКО и “ФосАгро” и выиграли его, кстати, первые в России! 

Работа успешного ученого сегодня связана с написанием проектов и выполнением обязательств по ним. Мы стремимся публиковать статьи не просто в журналах, входящих в международные базы цитирования Scopus и Web of Science. Стараемся пробиваться в высокорейтинговые издания. Недавно вышли две наши статьи в журналах с импакт-фактором более 8. Стоит отметить, что по мембранам в октябре мы организовали в Нижнем Новгороде конференцию “Мембраны-2016” вместе с нашими коллегами из Института нефтехимического синтеза РАН. 

Помню времена, когда у нас было старое оборудование. Я занимался в научном обществе учащихся, и мы измеряли площадь пика методом взвешивания. Сегодня, конечно, уже другой уровень! В стране реализовано большое количество инфраструктурных проектов, которые позволили университетам закупить первоклассное оборудование. Теперь нужно создать молодые коллективы, которые будут его активно эксплуатировать и получать результаты мирового значения.

Но есть еще одна проблема. Сегодня наука интересна ученым и государству (раз оно нас финансирует). Но хотелось бы, чтобы и бизнес проявлял интерес к нашей деятельности. Государство предлагает формы сотрудничества в рамках Постановления Правительства РФ №218, в проектной части госзадания. Но найти и заинтересовать индустриального партнера крайне сложно. В нас не верят. Гораздо проще купить на Западе отработанные, пусть и не передовые технологии. Мы стараемся переломить ситуацию. Я полагаю, крайне важно, чтобы наши ученые работали на благо отечественного производства, реализуя свои амбициозные проекты. Такой тандем в перспективе будет очень благотворно сказываться как на ученых, так и на бизнесе. Конечно, это условие выполнимо, только если бизнес сможет реализовывать долгосрочное планирование своей деятельности, а это уже вопрос к законодательной базе.

— Мы хотели бы реализовать “в металле” несколько аппаратов — мембранных каскадов нового типа. Эти устройства уже смоделированы, но задача нашего проекта — экспериментальная верификация этих моделей. Конечно, после экспериментальной проверки мембранных каскадов мы уточним теоретическую модель их работы по разделению газов, в зависимости от параметров процесса. Под эти исследования на нашей кафедре выделена новая специальная лаборатория. Первый аппарат уже был готов к началу октября. 

Большое внимание мы также уделяем оптимизации эргономики каскада, чтобы он был не только функциональным, но и красивым с точки зрения промышленного дизайна. Я думаю, такой подход поможет в будущем нашему коллективу заинтересовать представителей промышленности и бизнеса. И они будут работать с отечественными учеными!