В ПГУ модернизировали метод получения функциональных покрытий для медицины, приборостроения и автопрома
Версия для печати
В Пензенском государственном университете усовершенствовали метод спрей-пиролиза для получения высокоэффективных тонкопленочных пьезоэлектрических покрытий. Они в настоящее время применяются повсеместно: от классической сенсорики до перспективных направлений, связанных с «умными» системами и автономной электроникой. Ноу-хау ученых сделает приборы и технику долговечной, компактной, энергоэффективной. Разработкой заинтересованы крупные предприятия по производству систем управления, измерительной аппаратуры, приборов контроля в Пензенской области. Об этом рассказала газета «КомерсантЪ».
Тонкопленочные пьезоэлектрические покрытия нашли широкое применение в самых разных областях: в медицине и биомедицине, приборостроении, автомобильной промышленности, в производстве смартфонов. Например, пьезоэлектрические тонкие пленки — неотъемлемая часть медицинских датчиков, встраиваемых в аппараты УЗИ. В микроэлектромеханических системах их используют для создания миниатюрных исполнительных механизмов и резонаторов. Это позволяет разрабатывать компактные и энергоэффективные устройства.
Такие покрытия получают с помощью метода спрей-пиролиза. Отметим, он известен и активно применяется. Чаще всего его используют для создания оксидных покрытий. Они находят свое применение в промышленности, электротехнике, авиации. Оксидные покрытия по своей природе — диэлектрики. Они защищают электронные компоненты от воздействия электрического тока. Однако при добавлении примесей начинают проводить ток и могут применяться в качестве тонкопленочных полупроводников.
В Пензенском госуниверситете разработчики с кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология» — канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры Тимур Зинченко и д-р техн. наук, профессор, завкафедрой Екатерина Печерская — модернизировали метод спрей-пиролиза для создания пьезоэлектрических материалов. Это позволило увеличить срок службы покрытия и стабильность его характеристик.
«Благодаря нашей модернизации конечная продукция, в которую будут встраиваться такие покрытия, сможет обладать преимуществами», — поделился Тимур Зинченко.
Сам метод спрей-пиролиза или метод термического разложения аэрозоля — это процесс получения тонких пленок из газовой фазы. Эти пленки, как говорилось выше, применяются в различных областях.
Спрей-пиролиз — простой, недорогой и эффективный метод для создания полупроводниковых тонких пленок. Они получаются с высокой площадью и однородностью. К тому же можно контролировать их толщину, потому что этот метод позволяет регулировать скорость осаждения веществ и задавать параметры распыления. Среди прочих достоинств спрей-пиролиза: можно менять концентрацию раствора, низкая температура отжига, более дешевые материалы и другие преимущества.
Происходит он следующим образом.
Раствор, который может состоять из солей металлов (нитратов, ацетатов, хлоридов), металлоорганических соединений, комплексных соединений металлов, коллоидных растворов оксидов, распыляется мелкими каплями. Их нагревают до очень высокой температуры в присутствии газообразного реагента (воздуха (источник кислорода), чистого кислорода, инертных газов (азот, аргон), восстановительных газов (водород, формирующий газ) или смесей этих газов в заданных пропорциях). Растворенные в каплях вещества испаряются, и образуется аэрозоль. Именно он становится в будущем основным компонентом для создания тонких пленок.
«Аэрозоль подвергается пиролизу — процессу термического разложения на элементы. Под высокими температурами на поверхности осаждается тонкая пленка из чистых элементов, то есть они выпадают в виде осадка», — рассказал о тонкостях технологического процесса Тимур Зинченко.
Получившаяся пленка отлично может «прилипать» к различным поверхностям.
«У нее появляются хорошие свойства адгезии. Это свойство определяет силу сцепления между двумя разнородными поверхностями при их контакте», — пояснил разработчик.
Эту пленку можно использовать в качестве защитного покрытия или для создания функциональных материалов.
В ПГУ обновили метод спрей-пиролиза. Исследователи синхронизировали подогрев подложки и скорость подачи раствора. Это дает возможность тонкой пленке «нарастать» равномерно. Они также предлагают использовать стабилизированные растворы многокомпонентных систем и органо-металлические и модифицированные соли. Все эти новшества помогают управлять ориентацией кристаллов, влияющей на пьезоэлектрический отклик.
«Однородная микроструктура и контролируемая кристаллографическая ориентация пьезоэлектрических пленок увеличивает коэффициент преобразования механического воздействия в электрический сигнал. Это означает, что датчики смогут фиксировать даже минимальные колебания или изменения давления», — пояснил Зинченко.
Ученые также уменьшили пористость и дефектность таких покрытий. Это увеличивает срок службы пленок и стабильность характеристик.
«Управляемая морфология поверхности и снижение внутренних дефектов в пленках позволяет уменьшить деградацию свойств при длительной эксплуатации. Это особенно важно для медицинских сенсоров, автомобильных систем и энергоустройств, где надежность критична», — добавил исследователь.
Новый подход, предложенный пензенскими учеными, сделает конечную продукцию с такими покрытиями более чувствительной, точной, долговечной, компактной и энергоэффективной. Технология также позволяет наносить покрытия на сложные подложки, включая кремний. Это открывает возможности интеграции с микроэлектронными и МЭМС-устройствами. Итог — более компактные системы с расширенными функциональными возможностями. Устройства смогут работать с меньшими энергетическими потерями, а в случае систем energy harvesting — собирать больше энергии из окружающих колебаний.
«За счет точного контроля параметров пленки можно „настраивать” покрытие под конкретное применение: от ультразвуковых излучателей и сенсоров биомеханических сигналов до элементов для беспроводной связи», — уверен Тимур Зинченко.
На базе Пензенского госуниверситета создано около 10 образцов с уникальным покрытием. Они отправлены на исследование.
Разработкой заинтересованы крупные предприятия Пензенской области, специализирующиеся на производстве изделий для нефтегазовой отрасли, приборов для медицины, датчиков, резисторов, преобразователей, систем измерения для ракетно-космической техники: Промышленно-коммерческая фирма «Полет», Научно-исследовательский институт физических измерений, «Комстенд», Пензенский научно-исследовательский институт электронно-механических приборов. Технологией получения тонких пленок на стеклах также заинтересовался Завод по производству архитектурного стекла в Пензе.
Предложение ученых ПГУ дешевле и сохранит хорошее качество покрытий. Технология также легко масштабируется: ее можно адаптировать как для лабораторного производства опытных образцов, так и для промышленной линии. На одном оборудовании можно будет получать покрытия для разных устройств.
Ускорится развитие отечественной базы в области микро- и наноэлектроники. Это уменьшит зависимость от импортных технологий. Откроется возможность создавать новое поколение «умных» сенсорных систем, автономных источников питания и энергоэффективных электронных решений.
«Наша промышленность получит надежную и конкурентоспособную продукцию при снижении стоимости ее производства», — уверен Тимур Зинченко.
Исследование проводятся на грантовые средства конкурса «Ректорские гранты ПГУ» на сумму 300 тысяч рублей. Кроме того, оно было поддержано грантами РНФ и РФФИ «Аспиранты».
На разработку получено три свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ и восемь на регистрацию баз данных.
Тимур Зинченко, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология», младший научный сотрудник межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» Пензенского государственного университета, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Что является главным технологическим прорывом в вашем методе? Речь идет именно о принципиально новом контроле над структурой материала на атомарном уровне или в первую очередь об оптимизации существующего процесса?
— Главный технологический прорыв в технологии заключается в разработке методики получения покрытий с заданными свойствами, что служит началом внедрения искусственного интеллекта в систему получения тонкопленочных покрытий методом спрей-пиролиза. Поэтому скорее речь идет о модернизации процесса и внедрении его в полноценную автоматизированной систему на базе ИИ.
— Какие критические ограничения традиционного спрей-пиролиза вам удалось преодолеть? И как именно это повлияет на ключевые характеристики конечных устройств: их чувствительность, срок службы и стабильность?
— Классический метод спрей-пиролиза имеет ряд ограничений: тяжелая воспроизводимость, достаточно высокая пористость, бывает проблема стехиометрических отклонений. Эти проблемы решены благодаря разработанной методике и проведенным исследованиям. Воспроизводимость покрытий по разработанной методике перестала быть проблемой. Для уменьшения количества пор принято решение использовать двухстадийный процесс осаждения с промежуточным отжигом, что позволило сократить количество пор. Стехиометрические отклонения связаны с подготовкой раствора, для нужной ориентации кристаллов нужно строго контролировать pH раствора, использовать структурированные подложки, и после нанесения покрытия и отжига должно быть плавное охлаждение.
— Насколько органично ваша технология встраивается в современные производственные цепочки микроэлектроники? Требует ли ее внедрение революционных изменений на производствах или она становится естественным развитием существующих процессов?
— Так как спрей-пиролиз не требует вакуума и чистоты помещений класса 1, внедрение в промышленность достаточно простое. При этом в сравнении с вакуумными методами и оборудование, и себестоимость покрытий имеют низкую стоимость. Есть, конечно, нюансы, например, поскольку отработка технологии была на подложках, максимальный размер которых составил 100х100 мм, до конца неизвестно, какая будет однородность покрытий на подложках большей площади, плюс подготовка растворов на большие площади будет также иметь нюансы. Но все эти ограничения нивелируются проведенными исследованиями уже в масштабах промышленного производства.
— Насколько универсален ваш метод для создания разных типов устройств? Можно ли говорить о создании некой «цифровой платформы», где путем изменения параметров получают покрытия с заранее заданными свойствами для разных применений?
— Метод универсальный в плане получения покрытий, которые могут иметь различные свойства и, соответственно, различные применения. Все зависит от материала и возможности его нанесения данным методом. Планируется в дальнейшем полностью автоматизированный программно-аппаратный комплекс с внедрением цифрового двойника на базе ИИ.
— Проявление интереса со стороны производителя стекла — это случайность или признак фундаментальной универсальности метода? Открывает ли ваша разработка путь к созданию принципиально нового класса функциональных поверхностей в самых разных отраслях: от строительства до потребительской электроники?
— Проявление интереса со стороны производителя стекла — это прежде всего заслуга команды, которая проводила исследования, участвовала в конференциях, конкурсах, работала в сторону распространения результатов проведенных исследований в научных работах и статьях. Благодаря апробации результатов на нас обратили внимание и предложили обсудить варианты сотрудничества. Диалог продолжается.
Повторюсь, что метод позволяет получать покрытия для различных применений, свойствами покрытий можно управлять регулировкой режимов нанесения и параметров раствора. Поэтому да, открывает.
