- Details
Третьекурсник Михаил Жежера помогает разрабатывать технологию очистки важного соединения меди. Химией увлечён со школы. И теперь уже не только перенимает опыт учёных, но и сам пробует создавать новые материалы.
«Я сталкиваюсь с грандиозными задачами. И мне очень нравится с ними справляться. Мне очень приятно, что то, что я делаю, в дальнейшем может использоваться в реальной жизни»,- рассказал Михаил Жежера.
Профиль молодёжной лаборатории – микроэлектроника. Современные техпроцессы производства чипов, плат основаны на тонкплёночных технологиях. А поэтому отечественным предприятиям нужны эффективные исходные соединения, из которых получаются такие плёнки. Это специальные химические вещества, которые должны обладать уникальными свойствами, например, быть летучими, а также обладать высокой чистотой.
В России практически нет технологий их получения. Молодые учёные эти разработки развивают.
Полностью отечественная технология позволит в перспективе более динамично развиваться рынку российской микроэлектроники. Разработку уже оценивают партнёры лаборатории – завод в Подмосковье. Первые отзывы на результаты своей работы новосибирцы уже получили.
«Если сравнивать с зарубежными аналогами, то наши прекурсоры высокочистые. Стоят примерно в 10 раз дешевле, чем иностранные. И это даже не учитывая стоимость поставки в Россию», – отметил старший научный сотрудник Института неорганической химии СО РАН Игорь Ильин.
Новосибирские учёные готовы взяться за целую линейку высокочистых веществ для прогрессивного производства микроэлектроники. Созданная ими технология это позволяет. Не исключено, что идеи Академгородка совсем скоро найдут применение на заводах страны. И новосибирцы даже знают, что и как для этого нужно делать.
- Details
Линейный дихроизм, или явление избирательного поглощения света, имеющего определенное направление поляризации, хорошо изучено для неорганических и органических молекул. Это свойство позволяет разрабатывать наноразмерные оптические устройства, высокоэффективные поляризаторы, материалы, селективно реагирующие на внешние стимулы, и многое другое. Однако о подобных свойствах у органических стабильных радикалов ранее в научной литературе не сообщалось.
Международный коллектив учёных синтезировал ряд стабильных нитронилнитроксильных радикалов и получили их монокристаллы, которые обладают свойством оптической анизотропии, то есть их поглощающие свойства меняются в зависимости от направления поляризации падающего света. Так, один из образцов был близок к полной оптической прозрачности в видимой области спектра при определенном положении плоскости поляризации луча, в то время как поворот на 90 градусов приводил к ослаблению интенсивности света в 30 раз.
«Эта работа — свидетельство тому, насколько важно следить за ходом протекания экспериментов, потому что наше открытие появилось из случайно замеченного факта. Сейчас в лаборатории мы работаем с магнитными органическими материалами на основе стабильных радикалов. Такие структуры исследуются в виде монокристаллов — они должны иметь четкую упорядоченную структуру атомов внутри твердой фазы, в противном случае исследования молекулярного магнетизма затруднительно. Мы вырастили кристаллы одного из нитроксильных радикалов и обнаружили, что они имеют два разных цвета: вместе со стандартными образцами насыщенного синего цвета также были бледно-зеленые кристаллы. Сначала мы решили, что эксперимент провалился, однако после ряда анализов выяснилось, что разницы между кристаллами с точки зрения молекулярной структуры нет. Более того, при детальном рассмотрении оказалось, что синий и зеленый цвета являются взаимопереходящим и зависят от угла обзора. Мы фактически открыли и доказали, что у магнитных материалов на основе стабильных радикалов имеются эффекты линейного дихроизма», — рассказал один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ кандидат химических наук Павел Петунин.
Оптические свойства полученных соединений исследовались с помощью электронной спектроскопии, а затем особенности расположения молекул в кристалле устанавливались методом рентгеновской дифракции. Всесторонний анализ экспериментальных данных, дополненный квантово-химическими расчетами, позволил установить необходимые условия для появления линейного дихроизма в кристаллах органических радикалов.
Результаты исследования могут лечь в основу создания гибридных устройств, чувствительных одновременно к магнитным полям и плоско-поляризованному свету, например, нового поколения оптических сенсоров и спинтронных устройств.
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№24-73-10026) и Министерством науки и высшего образования РФ.
Matvey K. Shurikov, Yuliana A. Kolesnikova, Darya E. Votkina, Pavel A. Abramov, Taisiya S. Sukhikh, Galina V. Romanenko, Sergey L. Veber, Dmitry E. Gorbunov, Nina P. Gritsan, Giuseppe Resnati, Evgeny V. Tretyakov, Vadim Yu. Kukushkin, Pavel S. Postnikov, Pavel V. Petunin. «Engineering optical anisotropy in paramagnetic organic crystals: Dichroism of nitronyl nitroxide radicals» // Chinese Journal of Structural Chemistry, Available online 19 June 2025, 100653
- Details
Алмаз — хороший диэлектрик, устойчивый к воздействию высоких напряжений и ионизационному излучению. Графен — другая модификация углерода, отличающаяся высокой электропроводностью. Комбинация этих материалов открывает возможность для развития углеродной электроники нового поколения, в которой электрический сигнал будет подаваться по графеновым дорожкам к полупроводниковым алмазным элементам. Однако переносить готовый графен на поверхность алмаза не всегда эффективно, поскольку между материалами образуется нековалентная связь, ухудшающая электрический контакт. Альтернативное решение — непосредственная графитизация алмазной поверхности. На выполнение этой задачи направлен проект РНФ «Гибридные sp3-sp2 углеродные материалы как платформа для разных областей электроники: синтез, строение и свойства».
«Алмаз — состояние углерода в sp3-гибридизации, то есть каждый его атом связан с еще четырьмя атомами углерода. Эта структура обеспечивает большую запрещенную зону (ту область значений энергий, которыми не может обладать электрон) и, следовательно, хорошие изоляционные свойства алмаза. Графит же состоит из плоских листов графена, у которых каждый атом связан с тремя другими, и образуется структура пчелиных сот. При нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) термодинамически более стабильная фаза углерода — графит, алмаз же метастабилен. Казалось бы, алмаз должен спонтанно преобразоваться в графит. Но этого не происходит из-за высокого энергетического барьера, необходимого для разрушения алмазной структуры. Для такого превращения требуются высокие температуры (выше 2 000 ℃). Однако в присутствии каталитического металла разрушение алмазной структуры значительно упрощается. При нагревании в интерфейсном слое «алмаз — металл» возникает встречная диффузия атомов, то есть частицы металла погружаются в алмаз, а атомы углерода проникают в металл. В итоге происходит насыщение каталитической частицы и выделяется sp2-углерод, параллельно формируются графеновые слои на поверхности алмаза», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории физикохимии наноматериалов ИНХ СО РАН кандидат физико-математических наук Ольга Викторовна Седельникова.
Ученые используют поликристаллические алмазные пленки, получаемые методом плазмохимического осаждения из газовой фазы. При этом в водородно-углеродной плазме образуются углеродосодержащие радикалы, которые конденсируются на кремниевой подложке с образованием алмазной фазы. За десять часов исследователи синтезируют порядка 50—70 микрон плотной алмазной пленки, которая состоит из поликристаллитов размером около десятков микрон. В итоге ее свойства близки к свойствам монокристаллических алмазных подложек.
Тонкий слой металла (обычно это железо, никель или молибден) наносят на поликристаллическую пленку с помощью магнетронного напыления через трафарет. После этого пленку переносят в печь и отжигают в бескислородной атмосфере. В течение получаса происходит конверсия алмаза в графитоподобную форму толщиной около пяти нанометров. Невооруженным глазом видно, что нагретая область стала темнее. Поскольку сам алмаз для оптики прозрачен, это говорит о том, что сформировалась графитовая фаза. На каждом этапе ученые снимали спектры с помощью спектрометра. Было установлено, что при 310 ℃ начинает формироваться графит. Такая температура считается низкой, однако процесс уже запускается. При 500 ℃ образуется два нанометра графита, а это примерно восемь слоев графена.
«При создании электронной платы нужно нанести проводящую разводку к тем или иным компонентам. Мы можем нанести тонкий слой металла (несколько нанометров) так, как нам нужно, нагреть (до 700—800 ℃), и получится очень тонкий электропроводящий графеновый слой. На алмазной подложке без дополнительных переходных слоев можно получить готовый электронный элемент, в котором будет совмещено всё: изоляционная подложка, полупроводниковый слой и проводящие дорожки. Метод достаточно прост и не требует сложных манипуляций и дорогостоящего оборудования — только нанесение металла и отжиг. При этом проводимость в графитизированном слое будет такой же, как и в графене, а ее характер будет двумерным», — отметила Ольга Седельникова.
Нанесение металла — это не единственный способ локально трансформировать поверхность алмаза в графит. Оказалось, если воздействовать на подложку импульсным ультрафиолетовым лазером, будет происходить схожий процесс. При попадании лазерного луча на поверхность алмазной пленки энергия света мгновенно преобразуется в тепло, которое сильно разогревает тонкий верхний слой. Из-за быстрого разогрева этот слой моментально превращается в пар (происходит абляция), остаются небольшие углубления, так называемые абляционные кратеры. Одновременно графитизируются верхние слои толщиной около 400 нм. При этом можно нарисовать желаемую разводку (топологию интегральной платы) с высоким разрешением за минуты, в то время как отжиг занимает полчаса или час. На практике именно трансформация лазерным излучением больше подходит для масштабирования.
Ученые прошлись лазером вдоль алмазной пленки и сформировали решетки с периодом 200—400 микрон. Уникальность этих структур заключается в том, что они полностью состоят из атомов углерода. Такие решетки действуют как специальные фильтры для сверхбыстрого светового излучения, способного менять частоту и направление волны. Их работа зависит от структуры графита на поверхности и формы самого покрытия.
«Еще до нас было много работ, когда графен помещали на алмаз, и получался быстрый транзистор. Вероятно, можно будет получить что-то подобное при конверсии алмаза в графен, что удешевит процесс. Изготовленная нами решетка также интересна для терагерцовой оптики, поскольку алмаз обладает низким собственным поглощением в этом частотном диапазоне. В ближайшем будущем именно на поликристаллах начнут происходить практические внедрения, поскольку они намного дешевле, а свойства близки к монокристаллам», — подытожила исследовательница.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российского научного фонда, № 23-43-00017.
Ирина Баранова, “Наука в Сибири”
Изображения предоставлены исследовательницей
Sedelnikova O.V., Gorodetskiy D.V., Lavrov A.N., Grebenkina M.A., Fedorenko A.D., Bulusheva L.G., Okotrub A.V.
Transformation of the diamond surface with a thin iron coating during annealing and transport properties of the formed conductive layer
Synthetic Metals. 2024. V.307. 117675:1-8. DOI: 10.1016/j.synthmet.2024.117675
- Details
Нина Федоровна Захарчук, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Аналитической лаборатории ИНХ СО РАН, посвятила науке более полувека. За 53 года работы в Инстиуте она стала автором свыше 200 научных публикаций.
Материал о ее пути в науку, об удивительных встречах и, конечно же, о том, как оставаться преданным науке десятилетиями - на странцах газеты Бумеранг от 26 июня 2025, №23 (1144), стр. 4 и 6.
© ИНХ СО РАН 1998 – 2025 г.