Технологии синтеза алмазов осваивают физики Томского госуниверситета совместно с Институтом сильноточной электроники. Уже собрана установка стоимостью несколько миллионов рублей, на ней научились выращивать поликристаллический “черный” алмаз. Томские предприятия микроэлектроники с нетерпением ждут дешевых теплоотводов для транзисторов и микросхем, но ученые смотрят и гораздо дальше – в космос. Почему искусственный алмаз – незаменимая вещь и для квантовых, и для космических технологий, рассказываем в новом выпуске специального проекта Tomsk.ru и ТГУ «Технотренды».
Когда синтетические алмазы предпочтительнее природных?
Природных алмазов в мире добывают примерно 20-30 тонн в год. Для ювелирной отрасли – хватает с избытком, но для технологического рынка этого не достаточно. Кроме того, половина натуральных камней имеет желтый, серый, коричневый цвет – из-за примесей (например, большого количества азота) и дефектов структуры. А для высоких технологий нужна чистота и кристаллическое совершенство. Наконец, драгоценные камни нельзя просто так взять и купить, а затем продать. Природные алмазы без лицензии ученые могут только передавать друг другу для исследований.
«Синтетика» для промышленности предпочтительнее: алмазы можно сделать одинаковыми, с контролируемым содержанием примесей и дефектов. Они не ограничены в обороте, и объемы производства совсем другие: сегодня разными предприятиями в мире синтезируется в год около 3 тысяч тонн. В основном, правда, это мелкий абразив – «песок», имеющий желтый цвет из-за примеси азота. Он используется, в основном, для производства различных инструментов для механической обработки твердых материалов, не содержащих железа (его горячие алмазы очень не любят и быстро изнашиваются). Ещё в промышленности используются сверла и фрезы со сплошным алмазным напылением, которое очень хорошо справляется с цветными металлами, гранитом или углепластиком.
«Синтетические алмазы получают двумя способами. Первый – грубо говоря, как в природе: внутри гидравлического пресса создается очень большое давление (50-60 тысяч атмосфер) и высокая температура (1300-1600 оС). Это равновесный способ синтеза, но размер алмазов ограничен, пока они не могут быть более 30 мм диаметром. Второй способ был разработан в конце 1960-х годов ученым Томского политехнического института Спицыным Борисом Владимировичем. Мы называем этот способ «газохимическим осаждением»: в газовой смеси водорода и метана над подложкой зажигают высокочастотный разряд – плазменный шар. Метан дает углерод, он осаждается на подложку. А водород химически стравливает осаждающийся графит. Эту технологию сейчас освоили по всему миру и благополучно «забыли», что она российская, томская…
Мы на РФФ как раз пробуем синтез из газовой фазы. Пока умеем получать поликристаллический черный алмаз, состоящий из множества сваренных между собой кристалликов алмаза. За счет того, что на границах кристалликов есть немного графита, он имеет черный цвет. Однако такой поликристаллический алмаз отлично проводит тепло: всего в 2 раза хуже чем чистый алмаз, но в 2.5 раза лучше, чем медь. Его основная сфера применения – электронная промышленность. В Томске мы взаимодействуем с НИИПП и «Микраном», заинтересованными в алмазных подложках. Сейчас развиваются технологии производства транзисторов на основе нитрида галлия для задач высокочастотной электроники, радиостанций и радиолокационных станций. При больших рассеиваемых мощностях там нужен хороший теплоотвод. Наш алмаз таковым является» – рассказал заведующий лабораторией квантовых информационных технологий РФФ ТГУЕвгений Липатов.
Зачем разрабатывать свою установку, если на рынке есть аналоги?
В России синтезом алмаза занимаются несколько организаций – в Новосибирске, Санкт-Петербурге, Москве. Но, во-первых, общеизвестны только общие принципы синтеза алмазов, а детали – тайна за семью печатями. Во-вторых, между искусственными алмазами для ювелирной отрасли, промышленного инструмента и микроэлектроники – огромная разница. Так, не на каждом предприятии умеют получать сверхчистый алмаз для электроники и квантовых технологий. И, кстати, такие образцы очень дорогие – образец 5х5х0,25 мм стоит около 400 тысяч рублей. А качественный синтез промышленным способом большими сериями практически не освоен.
Через пять лет рынок синтезированных алмазов достигнет 30 млрд долларов. В России за год синтезируются примерно 2% алмазов от мирового объема.
Вообще, создание установки для синтеза алмазов на РФФ ТГУ – хороший пример того, что большая наука начинается с энтузиазма изобретателей. Несколько лет назад молодые ученые создали бета-версию установки, используя магнетрон из… микроволновки. Раскачали его мощность в несколько раз, «передали» излучение в камеру резонатора, зажгли в ней плазменный сгусток и начали наращивать алмаз на подложке. Слой за слоем, слой за слоем…
Сейчас, конечно, лабораторная установка имеет совсем другой вид – магнетрон там стоит на 3 киловатта. Обошлась установка в 3-4 миллиона рублей. На рынке аналог стоит минимум 25 млн…
«У нашей установки есть «детские болезни», которые мы исправляем. В целом за 2-3 года вполне реально дойти до готовой технологии. Еще 2-3 года потребуется на запуск производства – а это примерно 1 млрд инвестиций в течение нескольких лет. А ещё сейчас мы создаём установку с магнитными катушками, лазером и СВЧ-генератором, чтобы исследовать алмаз применительно к квантовой сенсорике», – пояснилЕвгений Липатов.
Причем здесь квантовые технологии и космос?
Алмаз – это еще и очень перспективный материал для таких высокотехнологичных областей, как квантовые технологии и аэрокосмическая промышленность. Потому что он радиационностойкий, устойчив к агрессивной среде и обладает уникальными физическими свойствами. Так, сейчас ученые ТГУ занимаются созданием алмазных лазеров. Несколько лет назад в сотрудничестве с коллегами из Новосибирска и Москвы онипервыми в мире продемонстрировали лазерное излучение на NV-центрах в алмазе при оптическом возбуждении. Если объяснить простыми словами, то в решетке алмаза есть дефекты, состоящие из атома азота и пустующего места для атома (вакансии), так называемые NV-центры. Это удобные и простые квантовые объекты. Их сравнительно несложно создавать и управлять ими. Эти NV-центры при облучении зеленым светом способны генерировать красное лазерное излучение. В мире уже есть стартапы, обещающие создание квантовых ускорителей и квантовых процессоров на NV-центрах в алмазе.
«Алмаз – радиационно-стойкий материал: относительно кремния и арсенида галлия он в 10 раз лучше выдерживает радиацию. Например, на алмазе делают детекторы радиационного излучения для Большого адронного коллайдера. Это означает, что его можно применять и в космосе. У компаний, производящих спутниковые системы, есть потребность в различных детекторах космических излучений, а также в устойчивых к радиации полупроводниковых лазерах. Пока у нас алмазер работает с оптической накачкой, с помощью которого мы преобразуем зеленый лазерный свет в красный. А если наш алмазер сможет работать от розетки (к чему мы стремимся), то лазерная генерация будет возникать от протекания тока через алмаз с NV-центрами. При этом свет будет излучаться оранжевый.
Такие лазеры будет можно использовать в различных системах на борту космических аппаратов – системах измерения температуры, деформаций конструкции и т.д. А главное станет возможным заменить на борту спутника медные провода с дорогой изоляцией, которую атакует космос, и она разрушается, на волоконно-оптические линии. Это сделает космический аппарат значительно легче. Существующие на данный момент полупроводниковые лазеры в космосе работают не долго. Например, на одном из марсоходов стоит лазер с оптической накачкой от светодиодов. Никакой полупроводниковый лазер не выдержал бы перелета до Марса. Конечно, алмазные лазеры в космос еще не летали, но мы хотим такой сделать. Думаю, нам нужно смотреть именно в космос – на Земле мы все время ссоримся…», – добавил Евгений Липатов.
