Путь человечества буквально устлан новыми материалами: в разные века развитие цивилизации определяли железо, бумага, каучук, фарфор, полимерное волокно и, наконец, кремний. Причем развитие некоторых отраслей, например электроники, идет невиданными темпами, требуя все более совершенных материалов. Если бы с такой же скоростью развивалась, скажем, авиация — из Нью-Йорка в Европу летали бы за несколько секунд, заплатив за билет пару центов. О вкладе сибирских ученых в создание новых материалов рассказывает заведующий отделом функциональных материалов Института неорганической химии СО РАН, советник РАН, академик Федор Кузнецов:
— Главный двигатель современной науки — необходимость решать практические задачи. Материаловедческий отдел был создан в нашем институте в начале 1960-х годов, когда в стране была поставлена задача развивать электронику. Именно системный подход, фантастический прогресс в понимании связи функциональных характеристик материалов с их состоянием определили темпы развития этой важнейшей отрасли.
Основные приложения функциональных материалов можно разделить на три категории: устройства для сбора информации (детекторы, датчики и так далее), устройства для обработки информации и принятия решений (компьютеры), устройства для исполнения решений (электромоторы, реле, мониторы, генераторы различного типа). В первую очередь следует говорить о полупроводниках, королем которых, безусловно, в настоящее время является кремний.
Хотя уже давно налажено промышленное производство кристаллов кремния, интенсивные исследования этого материала и процессов его получения продолжаются. В Сибирском отделении этим занимаются несколько институтов.
В земной коре кремния много — это второй (после кислорода) по распространенности элемент таблицы Менделеева. Однако существует он не в свободном состоянии, а в виде оксидов или силикатов. А для электроники нужен чистый кремний (с содержанием примеси в количестве один атом на миллионы или миллиарды атомов основного вещества). Для решения этой задачи разработаны сложные производственные процессы по получению из кварца поликристаллов кремния, затем выращиванию монокристалла из расплавленных поликристаллов. ИНХ участвовал в проектировании красноярского завода по производству кремния: благодаря нашим предложениям удалось повысить производительность в несколько раз, улучшить качество кремния и значительно удешевить производственный процесс в целом.
Электроникой приложения кремния не исчерпываются. Кремний — единственный материал, доступный в необходимом количестве для развития солнечной энергетики. Сейчас большую программу в этой области приняла Индия. Институты Сибирского отделения вместе с новосибирской промышленностью рассматривают — по предложению индийского правительства — возможность участия в реализации этой программы на всех этапах: производство кремния, создание солнечных элементов и устройств силовой электроники, аккумуляторов для накопления энергии.
Разрабатываемые в Сибирском отделении РАН материалы могут быть существенным вкладом в дело модернизации страны. Ученые нашего института добились значительных успехов в выращивании высокосовершенных оксидных кристаллов. Основные области их применения — лазерная техника и радиометрия. Например, кристаллы калий-иттриевого вольфрамата с иттербием сейчас являются наиболее перспективным материалом для фемтосекундных лазеров. Наш институт готов производить лазерные кристаллы в немалых количествах. Дело за спросом со стороны приборостроительной отрасли.
Производство других новых материалов — оксидных кристаллов-сцинтилляторов — организовано на опытном участке института. Промышленных масштабов мы, конечно, не достигли: выращивается всего несколько тонн кристаллов в год, что, впрочем, для академического института немало. Кристаллы сцинтиллятора — вещество, которое испускает квант видимого света, если его “ударить” жестким излучением. Главная область применения — медицина, точнее — позитронно-эмиссионная томография. По многим параметрам оксидные кристаллы ИНХ — самые совершенные в мире.
Более 20 лет назад наш сотрудник Анатолий Павлюк придумал, а его коллега Ян Васильев развил новый метод выращивания оксидных кристаллов, благодаря которому удалось уменьшить градиент температуры (термическое напряжение, которое ломает кристаллы) в 100 раз и, соответственно, значительно улучшить качество материала. Сегодня спрос на наши кристаллы в четыре-пять раз превышает наши возможности по их выращиванию. Ответить на этот вызов очень трудно: условия хозяйствования в академическом учреждении не способствуют развитию наукоемких производств. Пока большая часть кристаллов выращивается для зарубежных потребителей, российская доля составляет не более 10%, но есть шанс эту цифру увеличить: ИНХ участвует в проекте по созданию систем контроля вагонов и контейнеров на границе.
Некоторое количество сцинтилляционных кристаллов мы производим для фундаментальных исследований. Недавно поставляли сцинтилляционные кристаллы в НАСА для изучения астероидов, получили восторженные отзывы. Наши кристаллы стоят в детекторах на ускорителе в японском ядерном центре в Цукубе, в канадском ядерном центре ТРИУМФ, в итальянской подземной лаборатории в Гран-Сассо. Кристаллы высочайшего качества требуются для международного проекта по изучению темной материи — там необходимо регистрировать очень низкий уровень бета-активности на естественном радиоактивном фоне.
Основное препятствие в создании новых материалов — отсутствие спроса со стороны отечественной промышленности. Я абсолютно убежден, что институты Академии наук, которую Петр I создавал как Государеву Академию, должны работать на страну.
Сейчас несколько наших лабораторий героически трудятся, несмотря на отсутствие спроса в России, над созданием тонких слоев диэлектриков путем химического осаждения из газовой фазы с использованием в качестве исходных веществ сложных летучих элементоорганических и комплексных соединений. Суть проблемы: если размер электронного устройства меньше 100 нанометров, оксид кремния не может быть использован — слой его становится слишком тонким и начинает пропускать ток. Нужны новые диэлектрики. Мы научились получать слои с нужными параметрами.
Но самые передовые российские предприятия в области электроники работают с приборами, размер элементов в которых 180 нанометров (для сравнения: Intel заявил 45-нанометровую производственную технологию). На наших предприятиях, таким образом, пока нет проблем с оксидом кремния, к тому же производство идет по зарубежной технологии, в которой запрещено что-либо менять.
Надеясь на лучшее, мы продолжаем работать с новыми диэлектриками, более того, вместе с другими институтами СО РАН рассматриваем материаловедческие проблемы, решение которых необходимо для создания интегральных схем следующего поколения. Однако получать гранты очень трудно, а такие организации, как, например, госкорпорация РОСНАНО, ориентируются на сиюминутную выгоду.
Примерно так же обстоит дело с другими новыми материалами: одним из достижений ИНХ за последние годы является разработка методов синтеза и исследования углеродных нанотрубок и композиционных материалов на их основе. Этим занимается лаборатория Александра Окотруба. На основании их разработок можно сделать, например, малодозовый рентгеновский аппарат размером в два десятка миллиметров. При наличии спроса мы бы через пару лет запустили его в производство.
Надеюсь, Закон об энергосбережении поможет стимулировать спрос на инновации. Сегодня в России расход энергии на единицу продукции в три — пять раз выше, чем в развитых странах. С 2014 года приборы, превышающие по энергопотреблению западные аналоги, будет запрещено использовать в производстве.
В Новосибирске уже 10 лет работает программа “Силовая электроника Сибири”, именно устройства силовой электроники позволяют сэкономить около 40% электроэнергии. Институты СО РАН, ведущие промышленные предприятия и вузы Новосибирска участвовали в разработке представленной в Правительство РФ Технологической платформы “Интеллектуальная электроника для энергоэффективности”. Ее реализация предусматривает и создание новых материалов.
Важно отметить, что в предлагаемом проекте платформы использован системный подход — во взаимосвязях рассмотрена вся совокупность проблем “материал — приборы — системы”. В СО РАН в целом и в Новосибирске в частности сложилась очень хорошая кооперация между институтами, занимающимися материалами и разработкой приборов на их основе, и высокотехнологичной промышленностью. Для создания новых материалов нужно знать и учитывать конечные цели их применения: наука без практических приложений смысла не имеет.
Ольга КОЛЕСОВА
Нет комментариев