Новости науки

Гладкие алмазные пленки для электроники и оптики синтезировали в Москве

Московские ученые нашли способ изготавливать алмазные пленки с нужной шероховатостью. Для этого они использовали плазму (ионизированный газ), куда периодически добавляли азот. Этот элемент помог уменьшить размер алмазных зерен, из которых состоит пленка, тем самым сделав ее в 13 раз более гладкой.

Благодаря хорошей способности отводить тепло полученные структуры могут использоваться для охлаждения мощной электроники и оптических приборов, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Алмаз — самый твердый из известных природных минералов. Кроме того, он прозрачен и очень хорошо проводит тепло. Благодаря таким свойствам алмазные пленки могут служить отличными охладителями для мощных электронных устройств, а также элементами оптических приборов, чувствительных к перегреву. Однако высокая шероховатость поверхности ограничивает их применение, в частности, вызывая рассеяние света. Чтобы решить эту проблему, материал обычно полируют, но из-за высокой твердости алмаза процесс его обработки трудоемкий и дорогой, а для покрытий на деталях сложной формы иногда вовсе невозможный.

Ученые из Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва), Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН (Москва) и МИРЭА — Российского технологического университета (Москва) нашли способ синтезировать толстые алмазные пленки с существенно более гладкой поверхностью и возможностью управлять их тепловыми, электрическими и оптическими свойствами.

Физики применили метод микроволнового плазмохимического осаждения. Это подход, при котором пленку «выращивают» в вакуумной камере, используя газообразные вещества-предшественники. В своей работе исследователи закачали в камеру водород и метан. Последний служил источником углерода для роста алмазной пленки. С помощью микроволнового излучения в камере создали плазму, в которой образовывались активные частицы, обеспечившие рост алмазных кристаллов на подложке.

При этом во время синтеза ученые периодически ненадолго добавляли в камеру еще один газ — азот. Он запускал образование новых мелких кристаллов и препятствовал формированию больших частиц. Каждая такая «инъекция» азота длилась всего пять минут и приводила к осаждению тончайшего слоя нанокристаллического алмаза. Затем подача азота прекращалась, и ранее сформировавшиеся кристаллы продолжали расти в обычном режиме. Следующая добавка азота вновь запускала образование мелких кристаллов, препятствуя укрупнению зерен.

Повторяя этот цикл, исследователи создали пленки с разным числом чередующихся мелко- и крупнозернистых слоев. Это позволило проследить, как структура материала влияет на его свойства.

Эксперимент показал: чем больше было мелкокристаллических слоев, тем более гладкой получалась поверхность материала. Введя 100 таких слоев, авторам удалось добиться уменьшения шероховатости исходной пленки в 13 раз.

«Мы не стремились сделать всю пленку нанокристаллической, поскольку такая структура может снижать теплопроводность и пропускание инфракрасного излучения. Вместо этого мы научились управлять размером кристаллов непосредственно во время роста, изменяя частоту коротких добавок азота в плазму. Это позволяет получать толстые алмазные пленки с существенно более гладкой поверхностью и подбирать их тепловые, электрические и оптические характеристики под конкретные задачи», — пояснил руководитель проекта Артем Мартьянов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории алмазных материалов Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН.

Таким образом, предложенный метод позволяет во время выращивания получать алмазные пленки с заданными характеристиками. Такие материалы можно прямо во время синтеза «настраивать» под конкретные объекты применения — от теплоотводов для мощной электроники до защитных покрытий и элементов инфракрасной оптики.

«Разработанная технология позволяет значительно сократить необходимость механической полировки алмазных пленок, а в некоторых применениях — полностью отказаться от нее. В перспективе это может снизить стоимость производства алмазных изделий и расширить возможности нанесения покрытий на поверхности сложной формы, механическая обработка которых практически невозможна. В дальнейшем мы планируем использовать разработанную технологию для получения отдельных микро- и наночастиц, которые могут найти применение в биомедицинской диагностике и оптических сенсорах. Кроме того, мы работаем над созданием нового типа многослойных структур с чередующимися слоями алмаза и графита: удаление графитовых прослоек позволит сформировать систему тончайших алмазных мембран, перспективную для создания высокоэффективных фильтров», — рассказал Артем Мартьянов.

Новый генератор превратит энергию океанских волн в электричество

Сотрудники Пермского Политеха придумали генератор, который может превращать энергию океанских волн в электричество. Методика ученых поможет проектировать маломощные линейные генераторы. Разработанная по ней конструкция позволит получать в среднем около 33 Вт мощности. Этого хватит для питания датчиков, метеостанций и другого автономного оборудования, сообщили в пресс-службе вуза.

Ископаемые ресурсы с каждым годом все больше истощаются и дорожают, поэтому во всем мире активно внедряется возобновляемая энергетика. Однако солнечные и ветровые установки не всегда возможно использовать, их эффективность зависит от погоды, времени суток и климата. Есть еще один распространенный источник энергии — механические колебания: волны океана, вибрации мостов и трубопроводов. Чтобы преобразовывать их в электричество, нужны специальные линейные генераторы. Проблема в том, что сегодня не существует конструкций, которые позволяли бы эффективно заряжать отдельные автономные устройства. В итоге датчики, метеостанции и другие приборы вдали от инфраструктуры остаются без надежного питания.

Уникальная методика ученых ПНИПУ позволит инженерам проектировать маломощные линейные генераторы для преобразования колебаний волн. Полученных в среднем около 33 Вт мощности достаточно для питания инфраструктуры там, где невозможно использовать солнечные и ветровые установки.

Сегодня большая часть электричества и тепла вырабатывается из нефти, газа и угля. По последним исследованиям, человечество использует на 73% больше ресурсов, чем планета производит за год. Это значит, что ископаемое топливо стремительно истощается, а его добыча становится все дороже.

Именно поэтому в современном мире для питания городской и промышленной инфраструктуры важно развитие возобновляемой энергетики. Уже многие годы инженеры активно применяют солнечную и ветровую энергию. Однако эффективность этих источников напрямую зависит от погоды, времени суток и географического положения, что не дает внедрять их повсеместно.

Сегодня существует и другой вид возобновляемой энергии, который присутствует почти везде, но до сих пор мало используется, — механические колебания. Это работает следующим образом: вода поднимает и опускает специальный поплавок или платформу, лежащие на поверхности, а это движение вверх-вниз превращается в электричество.

Питать таким образом можно многое: датчики мониторинга, метеостанции, океанографические буи, системы связи и навигации. Все это должно работать автономно, вдали от городов и промышленных объектов, где нет кабелей или пасмурная погода. Без них невозможно ни предупреждать стихийные изменения, ни следить за состоянием важной инфраструктуры.

Однако сам по себе поплавок не может преобразовать колебание, поэтому к нему нужно подключить специальное устройство — линейный генератор, от которого и будут заряжаться приборы. Хоть такие конструкции существуют, они рассчитаны на большие мощности. То есть это крупные, тяжелые и дорогие установки, которые снабжают целые поселки или предприятия.

При этом для питания отдельных небольших устройств эти генераторы не подходят. Это значит, что множество приборов, которые нельзя заряжать от солнца или ветра, остаются без энергии.

Чтобы создать генератор, инженеру необходимо сначала рассчитать его основные параметры: какое напряжение и ток он будет выдавать, какая мощность дойдет до аккумулятора прибора или сколько часов понадобится, чтобы зарядить батарею при разных колебаниях.

Проблема в том, что при расчетах обычно рассматривают «идеальные» условия. Например, что ток течет плавно, а напряжение постоянно. Из-за этого вычисления получаются неточными, и на деле генератор может не выдать нужную мощность. Именно поэтому ученые создали новую методику, которая учитывает реальные условия работы. Например, что ток течет не плавно, а импульсами, а также что генератор теряет часть энергии при преобразовании движения в электричество.

«Используя новую методику, мы построили компьютерную модель конструкции и сымитировали для нее реальные условия работы, как при настоящей волне. Далее смотрели, какие силы возникают внутри, как ведет себя магнитное поле, ток и напряжение, насколько плавно двигаются детали. Результаты моделирования показали, что при типичных условиях генератор выдает до 33 Вт. Именно такая мощность нужна для зарядки стандартных аккумуляторов в автономных системах», — отметил Денис Опарин, старший преподаватель кафедры «Электротехника и электромеханика» ПНИПУ.

При этом подвижная часть конструкции работает плавно, без рывков и лишних вибраций — это снижает износ и повышает надежность устройства. А полная зарядка аккумулятора емкостью 10 ампер-часов, который есть у большинства датчиков и телеметрического оборудования, будет занимать не более 4 часов. Инженеры выбрали цилиндрическую форму генератора с магнитами из термостойкого и коррозионностойкого сплава самарий-кобальт, что гарантирует герметичность и долговечность устройства в агрессивной морской среде.

«Сегодня линейные генераторы в основном разрабатывают для больших мощностей — волновых электростанций и крупных промышленных установок. Мы же исследовали питание небольших автономных устройств, удаленных от инфраструктуры. Наша методика расчета впервые для маломощных генераторов комплексно учитывает нелинейную нагрузку (аккумулятор через выпрямитель) и реальную форму волнового воздействия», — дополнил Денис Опарин.

Новое решение позволит обеспечивать энергией автономную инфраструктуру даже в самых труднодоступных местах. Генератор можно ставить на метеостанции, океанографические буи, навигационные маяки, датчики на трубопроводах и мостах — везде, где нет кабелей и не работают солнечные панели.

https://нау