Сделать лучше. Как Россия ответила на технологический вызов
Многие страны приступили к реализации планов по обеспечению технологического суверенитета в микроэлектронике. Есть подобные планы и у России. Корреспондент РИА Новости заглянул в три лаборатории, где ведутся научные исследования в этой области, и обнаружил в них скоростные матрицы, оптические сенсоры, гибкие светодиоды и некоторые другие любопытные разработки, которые со временем могут лечь в основу прорывных продуктов отечественной микроэлектроники.
Алексей Можаров
Александр Семенча
Иван Мухин
Первая лаборатория: быстродействующая фотоматрица российского производства
На фоне санкций со стороны западных производителей в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого (СПбПУ) приступили к разработке компонентной электронной базы для ее интеграции в отечественные радиотехнические системы и комплексы машинного зрения и анализа изображений. Ученые Национального центра качества и экспертизы Политеха научились делать скоростные матричные фотоэлектронные преобразователи электронных пучков и оптических сигналов. По сути, речь идет об альтернативной матрице российского производства, созданной в рамках программы стратегического академического лидерства "Приоритет-2030" национального проекта "Наука и университеты".
Фотографируем в сто тысяч раз быстрее
"Нашу разработку проще всего представить в виде матрицы в фотоаппарате. В нем есть чувствительный элемент, который выполнен на основе кремния. Он замечательно работает и справляется со своими функциями, но его минус в том, что он слишком медленный", – рассказал руководитель проекта Алексей Можаров.
Он пояснил, что они вместе с командой делают некий аналог меньшего оптического разрешения, но такой, чтобы он мог работать гораздо быстрее. На выходе получается очень специфическая камера: если обычный фотоаппарат снимает информацию раз в миллисекунду (типичное время выдержки), то их прибор должен выдавать результат раз за 10 наносекунд, а это в 100 тыс. раз быстрее.
Умные автопилоты
Данная разработка молодого исследователя претендует на то, чтобы стать частью системы трехмерного видения, которая может быть использована для предупреждения аварий на дорогах и развития автопилотирования.
В настоящее время, по его словам, основной поток видеоинформации об окружающем мире получается с помощью фотоаппаратуры и камер: это плоские картинки, по которым крайне сложно понять расстояние между объектами, если не знать их размеры. Между тем, по мнению Можарова, в мире идет настоящая научная гонка за очень высокую скорость считывания информации.
"Порой даже человеческому глазу сложно быстро определить, где на фото настоящий автомобиль, а где искусная миниатюрная модель, а что уж говорить об искусственном интеллекте… Если вы хотите точно определять, что перед вами, нужен иной подход. Есть системы 3D видения на основе лазеров и фотодиодов – лидары, но они довольно медленные и хрупкие", – пояснил ученый.
На этой установке на полупроводниковых пластинах создаются активные слои, которые в дальнейшем используются при создании матриц скоростных фотоэлектронных преобразователей
© Пресс-служба СПбПУ
Передовая разработка российских исследователей состоит в том, чтобы объединить плюсы обоих подходов и сделать рывок к технологиям будущего. "Мы создали аналоги фотокамер, но работающих также быстро, как и отдельные фотодиоды. Это позволяет обрабатывать больше информации и требует меньше подвижных частей", – сообщил он.
В качестве примера ученый привел работу лазерного дальномера. "Вы наверняка слышали и видели лидары в современной бытовой технике, например, роботах-пылесосах. Их работа заключается в свечении лазером в определенном направлении и измерении времени, за которое отраженный лазерный луч вернется обратно. Чтобы охватить всю площадь, робот вращает лазер на 360 градусов, на что требуется значительное время. А если речь идет не о безобидном пылесосе, а, скажем, о беспилотном автомобиле или беспилотном летательном аппарате, то скорости работы такого устройства уже будет не хватать – нужно смотреть во все стороны одновременно", – отметил Можаров, подчеркнув, что его разработка позволяет принимать отражения лазерного пучка, расщепленного на множество направлений, измерять уровни сигналов и анализировать их.
В СПбПУ сообщили, что данный проект имеет и многие другие потенциальные применения как в гражданской, так и в военной сфере.
Вторая лаборатория: нитевидные покрытия со специальными оптоэлектрическими свойствами
В научно-образовательном центре "Нанотехнологии и покрытия", Института машиностроения, материалов и транспорта. СПбПУ совместно с ФТИ им. Иоффе осваивают и ставят на производство новую российскую технологию создания покрытий на основе структурированного оксида индия и олова (ITO).
"Прелесть ITO в том, что это абсолютно прозрачная пленка (коэффициент пропускания света может доходить до 99 %), человеческим глазом она практически невидима, но проводит электрический ток. В этом и кроется основная особенность, которая определяет массовое применение этих пленок для изготовления сенсорных экранов, мониторов, дисплеев, солнечных панелей и любых других устройств, где нужно одновременно пропустить свет и подать или снять ток с ячейки", – пояснил руководитель проекта, доцент кафедры прикладной химии Александр Семенча.
Совершенствуем солнечные батареи
Покрытия на основе оксида индия и олова также нужны для работы солнечных батарей. "Солнечный элемент состоит из активной поверхности, которая преобразует солнечный свет в электрический ток, а дальше этот ток нужно каким-то образом собрать по всей площади солнечной панели. Его собирают через токопроводящий контакт. Но если нанести обычный металл, он будет затенять солнечный свет. Поэтому ITO покрытия – наилучший способ создания эффективных солнечных батарей", – отметил ученый.
В этом контексте возникает другая научная проблема: когда свет падает на солнечную батарею, часть его отражается и не преобразовывается в электрическую энергию, причем доля этой части зависит от длины волны излучения.
Разные группы ученых борются за усиление КПД солнечных батарей. Один из способов, который они предлагают – "сконструировать" показатель преломления самого покрытия таким образом, чтобы он плавно изменялся от одной границы покрытия до другой.
"Такое покрытие не только помогает свету достичь активной области элемента, но и делает это одинаково эффективно для различных длин волн и направлений распространения света. На выходе – КПД прибора увеличивается", – добавил основной исполнитель проекта Лев Марков.
"Пленка ITO наносится вакуумным осаждением. Исходный материал может распыляться различными методами (с помощью электронного луча или магнетронного источника, осаждаясь на подложку), и получается тонкая пленка. Мы пришли к выводу, что, если оптимизировать условия осаждения, изменив, например, температуру, при которой он осаждается, то пленка растет не обычным образом, а в виде нановолокон", – отметил Семенча.
Микрофотография пленки структурированных ITO
© Пресс-служба СПбПУ
В этом и заключается ключевая особенность разработки: если посмотреть на полотно волокон в электронный микроскоп, то складывается впечатление, что ты из космоса смотришь на густой лес с деревьями, растущими под разными углами, причем в глубине леса плотность деревьев особенно высока.
С точки зрения оптических свойств материала получается разный показатель преломления: по поверхности он близок к воздуху, а в глубине нарастает и достигает значений, близких к показателю преломления подложки, что позволяет свету не отражаться, а эффективно проходить внутрь самого покрытия и сквозь него. Питерские ученые фактически убрали из технологического процесса антибликовое покрытие, а это весьма дорогостоящая операция, которая к тому же ухудшает эффективность самого покрытия.
Любуемся ювелирными украшениями
Работая над этим проектом в рамках программы "Приоритет-2030", ученые получили интересный побочный продукт. Когда они ставили эксперименты с разными металлами, у них получилась высокопрочная прозрачная керамика, которая выдерживает высокие температуры (1300 °С), обладает высокой износостойкостью и может иметь различные цветные оттенки.
Кубический оксид циркония с тонкой пленкой шпинели
1. 2. 3.
Кубический оксид циркония с тонкой пленкой шпинели
Разработкой уже заинтересовался известный ювелирный бренд, который встраивает в свои дизайнерские украшения декоративные шпинели. Изначально питерские исследователи создавали эти камни в пробирке, но в настоящее время новая технология поставлена на поток и позволяет производить до 10 тысяч камней в месяц.
Третья лаборатория: гибкие светоизлучающие диоды на основе полупроводниковых A3B5 наноструктур
Проект Высшей инженерно-физической школы СПбПУ направлен на формирование технологической платформы для развития новой оптоэлектронной компонентной базы в гибком исполнении. По задумке исследователей, появление светоизлучающих устройств, обладающих свойством гибкости, позволит производителям смартфонов и других персональных устройств расширить линейку продукции и улучшить ее функциональные свойства.
Гибкие дисплеи, изогнутые панели
"Если посмотреть на рынок устройств, то уже можно найти складывающийся смартфон. Почти все решения, которые существуют на сегодняшний день, сделаны на органических светодиодах. Эти материалы технологически хорошо развиты, в производстве относительно дешевые, но у них есть проблема с квантовым выходом: 80% энергии теряется", – пояснил руководитель проекта, директор Высшей инженерно-физической школы Иван Мухин.
По его словам, есть и другие материалы – полупроводниковые материалы A3B5 – у них квантовый выход в разы выше. "Фундаментальные свойства данных материалов таковы, что они потребляют меньшее количество энергии, но при этом дают большую яркость (увеличенная яркость на 30% в сравнении с органическими материалами)", – отметил ученый.
Полупроводниковые материалы выращиваются на монокристаллических подложках. Эти подложки жесткие и хрупкие, а значит, гибкое устройство не получить.
Идея же ученых СПбПУ заключается в том, чтобы перейти от планарных гетероструктур (их можно представить в виде слоеного пирога) к массивам наноструктур – нитевидным нанокристаллам (как "лес" наностолбиков). В этом случае сохраняются все преимущества полупроводниковых материалов с высоким квантовым выходом, но вместо сплошного слоя получается массив кристалликов, и у каждого кристаллика за счет его уникальной геометрической формы появляется свойство гибкости. "Это как с деревом: толстый брусок невозможно согнуть, но, если сделать из него тонкий карандаш, он становится более гибким. Вот и здесь аналогичная идеология – перейти от объемных материалов к массиву наноструктур", – добавил Мухин.
Проект направлен на то, чтобы научиться выращивать эти массивы наноструктур, заливать их в полимерный, прозрачный, гибкий слой и механически отделять от подложки. Тогда получаются тонкие мембраны из полимера, в которые вставлены полупроводниковые наноструктуры. Между тем свойства самого полупроводника, излучающего свет, полностью сохраняются.
Если говорить об этом проекте применительно к смартфону, то он, как утверждает ученый, будет работать в привычном режиме, но не 10 часов, а, например, 20. Плюс ко всему используемые полимерные материалы более мягкие, а значит, смартфоны будут более устойчивые к механическим повреждениям.
Данная разработка СПбПУ будет применима для любой носимой электроники (электронные часы, любая нательная электроника и пр.). Кроме того, ее можно будет использовать для совершенствования индикаторных панелей в автомобилях – в большой изогнутый экран смотреть значительно комфортнее, чем в плоский. По словам ученых, проект носит комплексный характер, в нем принимают участие научные партнеры из Санкт-Петербурга (Алферовский университет и Химический факультет СПбГУ), Сколково (Сколтех) и Франции (C2N).
07:00 14.12.2023
(обновлено: 11:25 14.12.2023)
