Минобрнауки России объявило о запуске обновленной программы «Мегагранты» и проведении 10-го конкурсного отбора. Научные проекты, выигравшие Мегагрант, могут каждый год получать на исследования до 100 миллионов рублей! Для того, чтобы убедиться в реальности таких глобальных вливаний в отечественную науку, корреспондент «Сибирского.Новостного» отправился Институт Физики имени Л. В. Киренского.
Сто миллионов рублей на МАКС-фазы в одной комнате
Зримое воплощение мегагранта от российского правительства занимает всего лишь одну комнату на первом этаже. На подоконнике практически в идеальном порядке лежат обычные инструменты – пассатижи, гаечные ключи, отвёртки.
Однако главные здесь не они, а сияющая в центре установка сверхвакуумного напыления, собранная в том числе этими отвёртками раз на средства мегагранта. Молодёжная лаборатории магнитных МАКС-материалов (или «MAX-phase» лаборатория) создана в 2019 году, подобных ей в Красноярском Научном Центре Сибирского отделения Российской Академии наук (КНЦ СО РАН) около десятка.
Молодой учёный Сергей Лященко объясняет, что такое эти самые таинственные МАКС-фазовые материалы. Внешне всё просто: это искусственно созданные слоистые материалы, состоящие из трёх видов элементов:
M – переходный металл
А – один из элементов третьей и четвертой групп таблицы Менделеева,
Х – углерод или азот.
Чтобы было чуть понятнее:
– в случае М – учёных и технологов от электроники, химии и обороны прежде всего интересуют скандий, титан, ванадий, хром, циркон, ниобий, молибден, гафний и тантал;
– в случае А – используются привычные алюминий, кремний, фосфор и сера, более тяжёлые кадмий, олово, свинец, и «экзотические» галлий, германий, мышьяк, индий и таллий;
– а наличие Х – говорит о том, что перед нами хоть и сложно получаемые, но в общем (почти) обычные нитриды и карбиды (привет бурному детству некоторых! ;)
Таблица МАКС-фазовых химических элементов от одного из первооткрывателей Мишеля Барсума
Такие материалы показывают лучшие свойства сразу нескольких сверхпрочных, или сверхэлектрических или других сверх-… материалов, как правило металлов и керамики (например, полученный и исследованный одним из первых химически сверхустойчивый Ti3SiC2).
Сверхвакуум для сверхчистоты
Сергей Лященко, кандидат физико-математических наук, рассказывает, что созданная в ИФ лаборатория за последние три года позволила отработать некоторые технологии и создать образцы таких материалов:
- Аналоги такой установки, как у нас, конечно, есть. Но она в Швеции, немножко доработанная. Мы, как говорится, первые в мире, вторые в Сибири. Это сверхвысоковакуумная напылительная система, там внутри сверхвысокий вакуум, практически как в космосе. Если посмотреть на индикатор, давление в ней сейчас 10-8 миллиметра ртутного столба. То есть атмосфера внутри примерно в триллион раз более разрежённая, чем земная. В одном стакане объёма в установке летают лишь несколько атомов [в обычных условиях в стакане воздуха примерно 7×1021 молекул, то есть 7 тысяч миллиардов миллиардов – прим.ред.].
Это нужно прежде всего для того, чтобы получаемые нами структуры были очень чистыми. И можно было бы технологию воспроизводить каждый раз на разных установках. Вторая причина, почему нужен такой вакуум – чтобы у нас от источника – в данном случае используется магнетронный испаритель, до подложки долетало целевое вещество. И очень равномерно укладывалось на поверхность подложки.
Шлюзы для металлических чешуек – как на космическом корабле
Дополнительно установленное аналитическое оборудование, в основном электронная спектроскопия и электронная микрометрия, позволяет прямо в процессе роста МАКС-фазовых структур контролировать, растёт ли кристалл, или какая-то аморфная плёнка, у атомов которой нет кристаллического порядка. Ведь МАКС-фазовые структуры – гексагональные (шестиугольные) структуры из равномерно уложенных октаэдров карбидов/нитридов М-металла и плоскими слоями А-металлов.
- А вот здесь встроенная оптическая система. Мы можем сразу проводить первичный оптический и магнитный анализ получаемых структур, прямо в камере. Смотреть, как у нас оптические свойства меняются в зависимости от температуры. А отсюда уже смотреть, как ведёт себя, например, электронная структура нового материала. Можно, не извлекая образец из камеры, понимать, что мы получим на выходе, а так же где и как его потом применить. Кстати, сам образец мы вынимаем тоже как на космическом корабле, через шлюзовую камеру. И уже потом его изучают в других помещениях и лабораториях института.
Сергей Лященко учился в аэрокосмической академии, мечтал ракеты в космос запускать. Но пришёл на практику в Институт Физики, и увлёкся ещё более уникальным направлением науки. Считает, что за этими материалами будущее:
- Вообще до нашей лаборатории в институте МАКС-фазой вообще не занимались. До нас здесь получали и изучали более простые структуры. Макс-фаза она из трёх-четырёх элементов состоит, на подложке растёт. Вот у вас есть кристалл, а сверху растёт плёночка, которая буквально повторяет кристаллическую структуру подложки. Такую структуру очень трудно получить – для этого нужен не только вакуум, но и очень маленькая скорость поступления материала на подложку, то есть буквально атомы должны отдельные на неё падать. Размеры – давайте я вам покажу.
Вот в коробочке образец подложки из диоксида магния, на ней напылён довольно толстый слой вещества в 40 нанометров, то есть 120 слоёв атомов. Но даже эта структура примерно в тысячу раз тоньше человеческого волоса.
Главные потребители красноярских МАКС-фаз – химия, биология, электроника
- Наша цель получить не просто сверхтонкую плёнку, но структурно-качественную и с заданными свойствами. Например, оптическими, магнитными, может быть с чётко заданной нано-геометрией. Мы ведём сейчас фундаментальные исследования. Но если кого-то в промышленности заинтересует – мы готовы отработать и развернуть технологию. В основном из потребителей, конечно, будет микроэлектронная промышленность, например, производство высокотемпературных транзисторов, работающих в суровых условиях.
Аспирантка Татьяна Андрющенко в Институте Физики имени Л. В. Киренского работает над диссертацией «Влияние технологических особенностей синтеза тонких пленок МАКС-материалов на их структурные и магнитные свойства»
- Очень важно, что получаемые и изучаемые наши МАКС-фазовые структуры могут использоваться далеко не только в электронике, - продолжает Сергей Лященко. - Возможно даже, что электроника – не самая важная отрасль их будущего применения! Они будут широко использоваться в каталитической химии, для ускорения химических реакций. Не скажу, например, за нефтяную отрасль, но такие структуры уже вовсю исследуются как датчики различных газов. Также ведутся исследования их применения в биологии – там вообще работы очень интенсивные, о которых мало что пишут в международных научных журналах. Сами понимаете, о каком характере исследований свидетельствует такая если уж не закрытость, то и «неоткрытость». Например, по сверхточной доставке лекарственных и не только препаратов только к определённым клеткам организма.
И кстати, что касается так называемого российского отставания от лидеров мировой электроники – мы отстаём скорее количественно, но не качественно. То есть отдельные наши группы в стране даже впереди всего мира по исследованиям и разработке технологий.
Записал: Сергей Митрухин. Фото: Сергей Митрухин
