Что объединяет солнечные панели, светодиодные лампы и томографы? Все они связаны с так называемыми тонкопленочными оптоэлектронными устройствами. Такие технологии создаются из материалов, обладающих уникальными физико-химическими свойствами, необходимыми, в том числе для создания энергоэффективных и экологически чистых технологий.
В чем особенности разработок и какими навыками должны обладать изобретатели в этой сфере? Разбираемся вместе с заведующим лабораторией новых материалов для солнечной энергетики факультета наук о материалах МГУ, кандидатом химических наук Алексеем Тарасовым.
Эффект прямого действия
Тонкопленочными такие устройства называют не просто так: они состоят из нескольких тонких слоев различных материалов, последовательно нанесенных друг на друга. Их толщина может варьироваться от всего нескольких единиц до сотен нанометров (один нанометр – это одна тысячная микрометра). Для сравнения, толщина человеческого волоса составляет порядка 70 микрометров. То есть, слой материала в таком приборе может быть тоньше волоса в 70 тысяч раз.
«Пленки из различных материалов – полупроводников, проводников и изоляторов – нужно формировать одну на другой на большой площади. Это достаточно сложная технологическая задача. В таких тонких слоях уже проявляются квантовые эффекты, а их химическая чистота и присутствующие (иногда вводимые специально) дефекты оказывают ключевое влияние на эффективность и функционирование конечного устройства», – рассказывает Алексей Тарасов.
В качестве примера можно взять солнечные батареи (их еще называют фотоэлектрическими преобразователями). Интерес к развитию этих технологий во всем мире, по словам эксперта, не случаен. Солнечную энергетику можно считать самой экологичной в области «зеленых» технологий. Такие приборы преобразовывают солнечный свет в электричество напрямую. В отличие от гидро- или ветряной энергетики, где свет сначала должен разогреть воздушные или водяные массы, привести их в движение, а уже потом они вращают турбины.
Как же это получается? Дело в том, что в солнечных батареях есть специальный светопоглощающий слой. Это полупроводниковый материал, который, как правило, находится в середине между другими вспомогательными слоями. Его задача: поглотить кванты света и сгенерировать свободные носители заряда – электроны и дырки (квазичастицы с положительным зарядом, описывающие отсутствие электрона). Затем эти носители заряда переходят в другие слои, расположенные над и под светопоглощающим материалом. Из этих слоев они попадают в электрическую цепь – возникает электрический ток.
На ваших экранах
К тонкопленочным устройствам также относятся и светодиоды. Особенность их в том, что в этих элементах наоборот, из над- и подлежащих тонких слоев проводников электроны и дырки переходят в центральный, так называемый рекомбинационный слой. В нем частицы взаимодействуют друг с другом и гибнут, высвобождая квант света. Такое явление называется электролюминесценцией – в этот момент мы видим, как светодиод светится. Устройства с этим эффектом сегодня используются в хорошо знакомой нам технике – экранах мобильных телефонов, мониторах компьютеров и телевизорах (в частности, тех, которые оснащены LED-, OLED- или QLED-дисплеями).
Создавать их сложнее, чем солнечные элементы. Слои внутри таких устройств еще тоньше и измеряются единицами, а то и десятками нанометров, а наносятся они в специальных установках для вакуумного напыления в сверхчистых помещениях, где контролируется чистота воздуха и считается каждая пылинка.
Еще один тип тонкопленочных устройств – это детекторы электромагнитного излучения видимого или рентгеновского диапазона. Они работают похожим образом, как и солнечные батареи. Но их задача – не просто поймать излучение и преобразовать его в электрический ток, а указать в какую часть матрицы он попал. Поверхность таких устройств разбита на отдельные ячейки – пиксели. Они ловят кванты излучения, формируют электрический импульс и передают эту информацию в управляющую микросхему, чтобы показать, что именно в эту точку экрана попал свет или рентгеновский квант.
Такая технология применяется в матрицах фотоаппаратов и в медицине, например в рентгеновских томографах. Рентгеновский снимок в поликлинике обычно выдают на специальной пленке, которую засвечивают рентгеном. Там, где рентген не встретил на своем пути препятствия и попал на пленку, мы видим более темные области. Подобным устройствам, по словам спикера, сегодня есть куда развиваться.
Тонкости производства
Для создания таких технологий, а именно тонких слоев в них, требуется сложное оборудование. Есть несколько способов, чтобы нанести эти пленки.
Кроме того, пленки можно наносить с помощью разных растворных методов: вещество растворяют в подходящем растворителе и в виде тонкой пленки жидкости наносят на подложку, после чего дают ему высохнуть.
«Создавать устройство толщиной в одну семидесятую от толщины человеческого волоса – довольно сложная технология, требующая хороших специалистов и техники. Не даром, например, большие экраны OLED-телевизоров делают всего несколько компаний в мире. Для строительства такого завода нужны гигантские инвестиции», – отмечает Алексей Тарасов. Однако, по его словам, подобные устройства сегодня необходимы, в особенности в тех сферах, где для них невозможно найти замену.
«Сегодня государства соревнуются между собой в гонке, кто первым эффективнее выведет собственную национальную систему космической интернет-связи. В космосе нет никакой другой энергии, кроме солнечной. Поэтому все космические аппараты, спутники, телекоммуникационные устройства работают исключительно на солнечной энергетике. Без нее просто не будет никакого цифрового развития», – утверждает эксперт.
Хотя разработка таких тонкопленочных материалов и непростой процесс, однако это весьма перспективная научная область. Благодаря своим уникальным оптическим свойствам, подобные компоненты необходимы и для бурно развивающейся солнечной энергетики, и гибкой электроники, биомедицины, квантовых технологий, телекоммуникации и систем связи.
Как стать востребованным специалистом?
Ответ этот на вопрос достаточно прост. По словам кандидата химических наук Алексея Тарасова, можно поступить на факультет наук о материалах в МГУ имени М.В. Ломоносова. Это старейший междисциплинарный факультет в стране и один из старейших в сфере фундаментального материаловедения в мире (в 2024 году ему исполняется 33 года).
«Наш факультет находится на стыке химии и физики, химических способах создания материалов и изучении их свойств новейшими физическими методами. Современному специалисту нужны глубокие знания в области классической и квантовой физики, физики полупроводников, магнитных и сверхпроводящих материалов. Кроме того, необходим математический аппарат, чтобы понимать процессы на уровне химии и физики», – рассказывает руководитель лаборатории.
Будущим студентам также предстоит изучать программирование и компьютерные технологии, разрабатывать собственные компьютерные алгоритмы, чтобы создавать приборы и цифровые механизмы для обработки экспериментальных данных.
Однако научная работа не ограничивается оптоэлектронными устройствами. На факультете есть десятки направлений в области материаловедения. Например, создание биоматериалов и протезов, молекулярных устройств для доставки лекарств, магнитных материалов, химических источников тока, сенсоров, плазмонных наночастиц. Студенты с первого курса бакалавриата начинают заниматься научно-исследовательской работой в передовых научных коллективах различных факультетов и институтов МГУ, а также в институтах Российской академии наук.
«Уже с первого курса студенты сталкиваются в науке с неизвестным. Никто не знает, как именно будет формироваться реальная структура того или иного материала, как заработают устройства, в которые вы добавили дополнительные компоненты. Такая возможность зайти в неизвестную область науки дает удивительное чувство творчества и созидания, от которого невозможно отказаться», – резюмирует специалист.
Анна Шиховец
