Индекс цитирования Яндекс.Метрика
23.07.2015

От алмазного полуфабриката до «бриллианта» электроники

Детекторы ионизирующих излучений различных типов на основе монокристаллического алмазного материала, а также фотопреобразователи разрабатывает группа ученых Троицкого «Центра алмазной радиационно-стойкой наноэлектроники и инноваций» в рамках проекта, поддержанного ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы»

Сегодня атомная энергетика является одним из самых прогрессивных, но и опасных способов получения электроэнергии. Кто не помнит трагедию на Чернобыльской АЭС 1986 года или аварию на Японской «Фукусима-1» 2011 года? И даже если атомная станция работает в нормальном режиме, радиоактивные отходы её деятельности представляют угрозу для окружающей среды. Но специалисты уверены - современные АЭС можно сделать безопаснее с помощью новейших технологий, а накладывать мораторий на атомную энергетику совсем не обязательно.

Долгожданным «пунктом назначения» в этой энергетической гонке станет открытие (или создание) неисчерпаемых источников энергии. Запасы нефти, газа, угля, урана, которые используются в настоящее время, в ближайшем будущем иссякнут. Обеспечить энергией на тысячелетия позволила бы термоядерная реакция слияния ядер изотопов водорода: дейтерия и трития. Но для этого необходимо решить проблему создания управляемого термоядерного реактора. Работы по его созданию ведутся с середины двадцатого века, но проблема оказалась не такой простой, и несмотря на определённые успехи в этой области, идея далека от полноценного воплощения.

Разумеется, ни обуздание термоядерной реакции, ни развитие более безопасной ядерной энергетики невозможны без приборов, способных регистрировать ядерные излучения и высокоэнергетичные частицы и тем самым обеспечивать управление и контроль реакторов.

Подобные детекторы ионизирующих излучений различных типов на основе монокристаллического алмазного материала, а также фотопреобразователи разрабатывает группа учёных Троицкого «Центра алмазной радиационно-стойкой наноэлектроники и инноваций» (НОЦ «ЦАРСНИ») в рамках проекта, поддержанного ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно -технологического комплекса России на 2014-2020 годы ». Центр создан в 2009 году при Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ). Руководство НОЦ «ЦАРСНИ» и проектомосуществляет доктор физико-математических наук Николай Родионов.

Основа основ - из алмазного сырья

Традиционные полупроводниковые материалы, применяемые для создания элементов электроники, такие как кремний, германий, галлий, обладают рядом недостатков: они уязвимы для радиации и тепловых нагрузок, рассказал STRF.ru ​​Николай Родионов. Материал, устойчивый ко всем перечисленным воздействиям – это алмаз, самый твердый материал на земле, которому не страшно химическое воздействие и работа при больших температурах (в диапазоне 100 - 200 0С). Именно его и применяют учёные для изготовления чувствительных элементов детекторов и фотопреобразователей.

Но не всякие алмазы подойдут для создания детекторов: материал должен обладать определёнными свойствами, которые сравнительно редко встречаются у природных «камней». Поэтому в своей работе учёные применяют искусственно выращенные монокристаллы небольших размеров с низким содержанием примесей.

Алмазные детекторы

Самая главная задача группы связана с международным проектом по термоядерному синтезу.

«В настоящее время одна из основных задач коллектива - это разработка и изготовление алмазных детекторов для нейтронной диагностики вертикальной нейтронной камеры (ВНК) и анализатора нейтральных частиц ИТЭР», - подчеркнул Родионов. Нейтронная диагностика - одна из ключевых в термоядерном реакторе. Алмазные детекторы будут использоваться для исследования физики термоядерного горения и измерения термоядерной мощности, а также контроля воздействия термоядерных нейтронов на материалы реактора.

Естественно, в месте установки нейтронные детекторы должны выдерживать длительные радиационные нагрузки, высокие температуры, воздействия сильных магнитных полей и электромагнитных помех.

«Мы научились делать такие детекторы», - сказал Николай Родионов. «И это будет наш высокотехнологичный вклад в создание самого мощного токамака на планете».

Что интересно, алмазные детекторы благодаря своим свойствам перспективны не только для регистрации радиоактивного излучения на атомных станциях и термоядерных реакторах. Например, они могут функционировать в составе приборов контроля космического излучения для транспортных космических систем с длительным сроком функционирования. А благодаря тому, что радиационо-поглощающая способность алмаза эквивалентна ткани человека, алмазный кристалл является очень подходящим материалом для радиационной дозиметрии. Алмазные детекторы также могут быть привлекательны и для медицинской томографии. Все идет к тому, что в ближайшем будущем алмаз, как материал высокого электронного качества, займет свое достойное место.

Доведение до кондиции

После формирования алмазной основы создание детектора только начинается, а для этого необходимо иметь высоко технологичное оборудование. В 2009 году в рамках государственного контракта с Федеральным агенством по науке и инновациям АО «РНЦ РФ ТРИНИТИ» был создан лабораторный технологический комплекс (ЛТК) «Алмазный детектор». С участием Проектного центра ИТЭР и Госкорпорации «Росатом» в 2012 году комплекс был запущен.

«Что такое детектор или фотопреобразователь? Это алмазная пластина с нанесенными на нее контактами, которые в свою очередь подсоединены к регистрирующей аппаратуре, - объяснил Родионов. - При прохождении частицы или кванта излучения через детектор и их взаимодействии с кристаллом алмаза в чувствительном элементе рождаются заряженные частицы, которые могут быть зарегистрированы ».

Лазер Для изготовления оснастки, необходимой для монтажа детекторов, учёные применяют технологический комплекс лазерной обработки кристаллов DIAMAX

Изготовление детекторов начинается с обработки алмаза. Для устранения дефектов кристалла алмазная пластинка помещается в высокотемпературную вакуумную печь и отжигается при 18000С. Затем в ходе химической обработки производится очистка поверхности от различных примесей. После этого поверхность кристаллов оксидируется в высоковакуумной установке ионной чистки.

После этого на обработанную пластину наносятся металлические контакты, которые должны прочно сцепляться с поверхностью пластины, оставаться работоспособными при высоких температурах и иметь отличные электрические характеристики.

Контакты на пластинки напыляют, то есть, наносят на кристаллы тончайшие, в три десятка нанометров, слои металла, при помощи вакуумных напылительных установок. В Центре имеется несколько таких аппаратов, каждый из которых предназначен для нанесения только одного из металлов: алюминия, золота или титана. На этом же этапе происходит приварка тоководов, соединяющих детектор с электронным блоком обработки сигнала детектора.

Высоковакуумная_установка Поверхность кристаллов обрабатывается несколько раз. Заключительным этапом является её оксидирование в высоковакуумной установке ионной чистки

Проверка структуры детектора на различных технологических этапах изготовления проводится на аналитическом участке, где основными приборами являются сканирующий электронный микроскоп и атомный силовой микроскоп.

Внедрение будет

Учёные отмечают, что пока их проект находится в стадии исследований. До того момента, когда разрабатываемые в АО ГНЦ «РФ ТРИНИТИ», ПЦ-ИТЭР детекторы будут выпускать на серийной основе учёным предстоит ещё многое сделать.

«Мы идём последовательно, - сказал Родионов. - Пока наши детекторы нас устраивают, но для ряда приложений требования к технологии изготовления ужесточаются. Нам понадобятся помещения ещё более повышенной стерильности, мы должны будем проводить более тщательную подготовку поверхности кристалла перед напылением контактов. Все это заложено в лабораторном технологическом комплексе, поэтому мы в ближайшее время начнем работу в этом направлении ».

Как рассказал Родионов, одним из конечных результатов работы по контракту ФЦП будет создание приборов, предназначенных для выявления аварийных ситуаций на радиационно-опасных объектах, в том числе атомных станциях, контроля за ходом их развития и ликвидации, как в условиях нормальной эксплуатации, так и при авариях всех типов.

«Пока это будет дорогая система, но ради безопасности можно потратить и чуть больше средств. К тому же мы стремимся к тому, чтобы наши детекторы работали вечно », - поделился руководитель проекта.

Электронное издание «Наука и технологии России»