Ученые УрФУ проводят фундаментальные исследования низкоразмерных модификаций углерода

Новые материалы позволят создать электронные приборы с уникальными характеристиками

Ученые УрФУ проводят фундаментальные исследования низкоразмерных модификаций углерода

В ближайшие 5-10 лет производители многих электронных приборов — компьютеров, телефонов, оборудования для энергетики и медицины — смогут начать выпуск данной продукции с использованием совершенно новых материалов на основе низкоразмерных модификаций углерода. Это позволит значительно — до нескольких порядков — увеличить скорость работы электронных приборов, а также уменьшить их размер.

Ученые Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург) совместно с коллегами из Уральского отделения Академии наук, а также из других университетов и предприятий ведут исследования по созданию уникальных низкоразмерных материалов для новой отрасли науки и техники — углеродной нано­, микро­ и оптоэлектроники. Проект ориентирован на разработку и освоение технологий получения углеродных наноматериалов с заданным набором уникальных свойств.

Получение и практическое применение данных материалов на сегодняшний день является глобальной научно­технологической задачей. Разработка фундаментальных основ и создание элементной базы новой отрасли науки и техники станет настоящим прорывом, который радикальным образом изменит подходы к разработке и производству приборов едва ли не в любой сфере деятельности человека — от миниатюрных устройств микро­, нано­, оптоэлектроники, холодных катодов до функциональных покрытий микросистемной техники и специальных медицинских инструментов.

«Еще со школы многие знают о таких модификациях углерода как графит, алмазы, фуллерены, нанотрубки, графены, — говорит директор Физико-технологического института УрФУ Владимир Рычков. — Углерод образует большое количество форм — как в живой, так и в неживой материи. Фактически, это кирпичики, из которых сложена материя, и все эти модификации обладают уникальными свойствами. Многие органические материалы уже широко исследуются и используются. В неживой же материи тоже нужно учиться складывать из углерода цепочки в нужном размере и нужном состоянии. Углеродные атомы выстраиваются в цепочки, которые собираются в гексагональную форму, которая обладает определенными свойствами».

В случае успешного решения поставленной уральскими учеными задачи практически все отрасли отечественной промышленности смогут повысить свою конкурентоспособность за счет использования достижений отрасли углеродных наноматериалов. Одной из основных областей применения низкоразмерных модификаций углерода является создание новых уникальных приборов электронной техники. В частности, на основе линейно­цепочечного углерода могут быть созданы новые типы дисплеев и источников света, рентгеновские трубки, приборы ночного видения, термоэлектрические преобразователи с повышенной эффективностью и ядерные батареи. Применение современных углеродных материалов позволит значительно повысить функциональные характеристики приборов, одновременно уменьшив их себестоимость. В этой связи потребителями разрабатываемых материалов могут стать предприятия российского и зарубежного электронного приборостроения.

Чрезвычайно перспективным приложением низкоразмерных модификаций углерода является также разработка сверхминиатюрных компонентов для наноэлектроники: конденсаторов, диодов Шоттки, полевых транзисторов, элементов памяти. В частности, низкая работа выхода электрона и возможность управления шириной запрещенной зоны, характерные для одномерного карбина, делает его чрезвычайно привлекательным для использования в электронике. Использование линейно­цепочечных структур может заинтересовать международных производителей микроэлектронных элементов. Наличие магнитных свойств наночастиц, нанесенных на графен или помещенных в нанотрубки, даст возможность создавать материалы, свойствами которых можно эффективно управлять.

По мнению Владимира Рычкова, по своему масштабу поставленная задача сопоставима с проблемой создания новых двумерных 2D-­материалов (графена, силицена, германена, фосфорена). Поставленные в данном проекте цели соответствуют самому современному мировому уровню, а по некоторым направлениям опережают его.

«Достижение глобального лидерства в данной области возможно за счет интеллектуального потенциала, компетенций и профессионализма сотрудников и зарубежных партнеров, а также использования эффективной организационной структуры, — отмечает Владимир Рычков. — Кадровый потенциал, техническая база и научный задел коллектива дают все основания рассчитывать на успешное его выполнение. Мы планируем использовать уникальные методы и технологии. В совокупности это позволяет осуществлять направленный синтез и прецизионное допирование линейно­цепочечных углеродных материалов. Также будут задействованы сложившиеся тесные международные связи для использования уникального оборудования, отсутствующего в России. В частности, выход на специализированные источники синхротронного излучения в США, Беркли (Advanced Light Source) и Канаде (Canadian Light Source)».

В исследованиях низкоразмерных модификаций углерода будут участвовать как основные, штатные сотрудники Уральского федерального университета, так и совместители из числа ученых Уральского отделения РАН. К работе будут привлечены иностранные постдоки, а также аспиранты и магистранты. Исследования проводятся при взаимодействии и сотрудничестве с зарубежными коллегами из Германии, Франции, Италии, Канады, Японии, Китая.           

Ключевой индустриальный партнер университета в исследованиях низкоразмерных модификаций углерода — московская компания «Углеродные технологии», с которой Физико-технологический институт УрФУ уже создал и укомплектовал оборудованием Лабораторию «Перспективные углеродные материалы» под руководством доцента кафедры физических методов и приборов контроля качества Анатолия Зацепина.

«Это во многом революционные фундаментальные исследования, которые в будущем очень серьезно изменят мир, — считает Владимир Рычков. — Здесь мы ориентируемся, прежде всего, на электронику. Углеродная электроника — это новые компьютеры, чипы, которые будут в десятки раз меньше и быстрее нынешних. Кремниевая электроника себя уже исчерпывает, и ее дальнейшая миниатюризация невозможна. Весь мир сейчас идет в этом направлении. Интерес к нашим исследованиям проявляют многие организации, которые готовы вкладывать в это большие деньги».

Исследования низкоразмерных модификаций углерода  связаны с одним из основных направлений деятельности Стратегической академической единицы (САЕ) УрФУ «Институт естественных наук и математики» (ИЕНиМ). Цель создания САЕ ИЕНиМ — формирование исследовательского и образовательного центра мирового уровня, обеспечивающего значительное повышение академической и научной репутации УрФУ в международном сообществе, подтвержденное позициями университета в предметных рейтингах «Физика», «Химия», «Материаловедение» и «Математика».

На фото: Владимир Рычков.