Программа «Мастерские инноваций» ФИОП РОСНАНО и МГУ имени М.В.Ломоносова подвели итоги конкурса «Моя лаборатория». Мы с удовольствием публикуем лучшие работы.
Выращивать кристаллы для светодиодов – это почти как растить, скажем, редис, только вместо грядки будет перчаточный бокс, вместо свежего воздуха – инертный газ аргон, и Нобелевскую премию за редис дадут вряд ли. Ученый из Челябинска Дмитрий Жеребцов рассказывает, зачем нужен альтернативный источник света и в каких условиях для него растут кристаллы.
Центр «Нанотехнологии» находится в правом крыле ЮУрГУ
На проспекте Ленина в Челябинске над остальными зданиями возвышается Южно-Уральский государственный университет, похожий на уменьшенную копию столичного МГУ. При ЮУрГУ функционирует научно-образовательный центр «Нанотехнологии»; его сотрудник Дмитрий Жеребцов ведет меня в лаборатории длинными лестницами и коридорами и останавливается у «теплицы» для кристаллов – перчаточного бокса.
Представьте себе огромную витрину с четырьмя ручищами-перчатками из плотной резины, а внутри – нагромождение из приборов, контейнеров, проводов и инструментов. Однако беспорядок здесь только на первый взгляд. Каждый предмет необходим для загрузки, выгрузки и осмотра образцов, потому что внести что бы то ни было внутрь бокса непросто: здесь работают с материалами, чувствительными к воздуху. Этим и объясняется практически абсолютная инертна атмосфера внутри – заполняющий бокс аргон не поддерживает реакций. Человек тоже не смог бы работать в аргоне, потому что, дыша им, он бы очень скоро задохнулся от нехватки кислорода.
В перчаточном боксе одновременно могут работать двое
Дмитрий Жеребцов уверенно продевает руки в перчатки и оказывается по плечи внутри бокса – без опасности для жизни. «Сейчас я держу в руках жидкий сплав металлического калия и металлического натрия, и если вынести его на воздух, будет яркий оранжево-фиолетовый фейерверк из-за его самовозгорания», – объясняет ученый. Но это лишь один из примеров используемых в экспериментах материалов: монокристалл нитрида галлия должен расти в расплаве галлия, натрия, лития и углерода. Жаростойкий контейнер с этой смесью позже загружается в центр печи высокого давления, где кристалл растет.
Дмитрий показывает сплав металлического калия и металлического натрия: такое соединение может спокойно существовать только в инертной атмосфере
Выращиваемый Дмитрием и его сотрудниками нитрид галлия (GaN) – основа для белых, синих и ультрафиолетовых светодиодов, лазеров и датчиков. Светодиоды потребляют в пять раз меньше энергии, чем приборы, к которым мы привыкли в быту; энергоэффективность считается их основным преимуществом. Для сравнения: коэффициент полезного действия (КПД) лампочки накаливания – 10%, лампочки дневного света – около 25%, КПД светодиодного источника света достигает 50-60%. Единственный минус в том, что светодиоды стоят в несколько раз дороже обычной лампы, но к этому можно относиться как к долгосрочной инвестиции. Область применения нитрида галлия со временем намного расширится, поскольку его физические свойства во много раз выше, чем у кремния, который используется в современной электронике. Возможно и оборонное применение, например, создание радаров для обнаружения летящих объектов (ракет, самолетов) с расстояния 400 км – этим сейчас занимаются в США.
Плохая новость для нашей обороны в том, что уже около года опыты в боксе не проводятся. Дмитрий Жеребцов продолжает искать возможности государственного или частного финансирования проекта, поскольку необходимо вывести его на новый качественный уровень: найти со временем такой состав и температуру, при которых кристаллы будут получаться крупнее. Пока они совсем крошечные, хотя растут быстро.
Каждый предмет в боксе играет важную роль в процессе эксперимента
«Разрыв между промышленностью и лабораторией существует до тех пор, пока лаборатория далека от выхода на производство. В случае, когда до внедрения остается год-два, люди находят друг друга очень быстро, – уверен ученый. – При должном финансировании мы выйдем на первое товарное производство через три года». Но для привлечения инвестора его команде сначала нужно получить «товарный» кристалл толщиной 5 мм.
Дмитрий Жеребцов в своем кабинете с коллегой, заместителем директора центра «Нанотехнологии» Дамиром Галимовым
Первые печи для исследования высокотемпературных расплавов под давлением были построены в ЮУрГУ еще двадцать лет назад. У себя в кабинете Дмитрий Жеребцов показывает электронную 3D-модель разработанной печи, которая позволит выращивать более мощные, промышленно востребованные монокристаллы нитрида галлия. Печь спроектирована на 10 литров расплава, весит 2 тонны, и даже в помещении с 3х-метровыми потолками ей будет тесно. В планах у ученого – целое семейство таких установок.
Установка такой печи обойдется в 20 миллионов рублей, но выход на промышленный уровень без нее невозможен
По словам Дмитрия, из всех стран мира создание эффективных светодиодов сейчас особенно активно финансируется в Японии: «И японцы на голову нас опережают. Хотя даже они с 2011-го года кормят завтраками – завтра весь мир будет покупать наши монокристаллы, мы всех порвем! Пока не порвали». И все же, в 2014 году именно японские ученые получили Нобелевскую премию по физике за предыдущую разработку 1992 года – изобретение синего светодиода. Никогда не угадаешь, в какой стране прямо сейчас выращивает кристаллы будущий нобелевский лауреат.
Об авторе
 |
Дарина Грибова - журналист-фрилансер, выпускница Санкт-Петербургского государственного университета, Высшей школы журналистики и массовых коммуникаций (Факультет журналистики), по специальности – международная журналистика. Сейчас учится по совместной магистреской программе Санкт-Петербургского государственного университета & Freie Universität Berlin (магистерская программа «Глобальная коммуникация и международная журналистика», 1 курс). online-портфолио |
.
