Сегнетоэлектрики и Кᵒ

Удивительный нас окружает мир, а еще удивительней вещества, которые получают в лабораториях ученые. Небольшой кристалл может работать как холодильник для компьютера, а такие вещества, как сегнетоэлектрики, повышать КПД солнечных батарей. Об этом и многом другом довелось побеседовать с Ильей Вербенко, доктором физико-математических наук, директором НИИ физики ЮФУ.

— Наш институт многопрофильный, — объясняет Илья Александрович, — мы занимаемся астрофизикой и физикой элементарных частиц, разработкой новых материалов, у нас есть и отдел аналитического приборостроения. Функциональные материалы, которыми занимается, в том числе институт, были актуальны всегда — с момента открытия.

Сегнетоэлектрики

Изучают такие вещества, как сегнетоэлектрики, уже больше века, но всплеск интереса к ним как к материалам для электронной техники возник с открытием титаната бария как нерастворимого в воде сегнетоэлектрика.

Сегнетоэлектриками называют вещества, обладающие спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено с помощью внешнего электрического поля.

Потом была открыта двухкомпонентная система — цирконат-титанат свинца. Ее модифицировали американцы, потом тройными системами занимались японцы. В НИИ физики тогда еще РГУ его директор, доктор физико-математических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР Евгений Фесенко курировал направление практического использования сегнетоэлектриков, прежде всего, в технологиях оборонной промышленности, на основе многокомпанентных систем.

Примерно с 2003 года возник новый этап интереса к классическим сегнетоэлектрикам на бессвинцовой основе. Тогда в Евросоюзе приняли директиву о замещении свинца в электронной технике: нужно было найти некий аналог, который бы отвечал экологическим требованиям.

А у нас задолго до этого всплеска, продолжает рассказ Илья Вербенко, существовало направление по исследованию материалов на основе ниобатов натрия и лития (как понятно, безсвинцовых) как материалов для СВЧ-техники. Их преимущества — высокая скорость распространения звука по сравнению со свинцсодержащими материалами. Так что у нас оказалась некоторая фора в создании основы экологически безопасного пьезосегнетоматериаловедения.

Основоположником этого направления является зав. отделом интеллектуальных материалов и нанотехнологий НИИ физики ЮФУ Лариса Резниченко, в ходе работ под ее руководством были разработаны сотни материалов. Некоторые из них доведены до прототипов — даже не материалов и элементов, а уже датчиков на их основе

— В частности, мы изготовили ряд датчиков для детонации топлива в системе двигателя внутреннего сгорания и получили достаточно близкие параметры с существующими, что позволяет использовать безсвинцовые сегнетоматериалы на основе ниобатов щелочных металлов как альтернативу свинцовосодержащим, то есть, они могут быть востребованы как экологически безопасная альтернатива, — рассказывает Илья Вербенко.

Мультиферроики

Речь о веществах, чья структура упорядочена: либо зарядовая подсистема, как у сегнетоэлектриков, либо магнитная — как в магнетиках (материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем с изменением при этом их физических параметров —
температуры, проводимости и т. д.).

Мультиферроики — они «ферроики» в обоих смыслах, то есть, выступают как «человек-оркестр». Они позволяют одновременно связать и магнитную подсистему, и сегнетоэлектрическую. Например, информацию удобно записывать при помощи электрического поля (этими полями мы научились хорошо пользоваться).

А считывать ее удобнее магнитным полем, которое не так сильно воздействует на образец и при этом информация не так быстро «стареет». Так можно получить энергетически более экономную и устойчивую компьютерную память.

Но более актуальными сейчас, если говорить о памяти, являются наноразмерные структуры. Перспективной считается технология, имеющая дело с размерами в пять нанометров (нанометр — одна миллиардная метра. Прим. ред.). Но это технология, а в НИИ физики пытаются разрабатывать принципы конструирования таких материалов. Сама технология весьма дорогое удовольствие: одно рабочее место на таком производстве стоит около миллиона долларов. В России существует предприятие «Микрон», где пока дошли до 90–180 нанометров и ряд других центров работающих с нормами 300 нм и выше. Передовыми центрами таких технологий в мире является Тайвань и Южная Корея. В Европе таких производств крайне мало.

— Хотя, — уверен Илья Александрович, — в России, скорее всего, есть такие разработки на уровне аванпроектов, которые не уступают тому, что делается в мире.

Релаксоры

В НИИ есть и такое перспективное направление исследований, как сегнетоэлектрики-релаксоры и магнетики-релаксоры. Эти среды позволяют запасать большое количество энергии, с одной стороны, с другой — они обладают электро- и магнитокалорическим эффектом. При определенном электрическом или магнитном воздействии они могут охлаждаться и в перспективе могут стать основой ультакомпактных твердотельных холодильников.

Один из проектов НИИ физики и заточен на то, чтобы разработать такие материалы. Релаксорами в мире начали заниматься лет 15-ть назад, само направление и сегодня актуально. И есть уже разработки небольших холодильников, которые в том же компьютере или в мобильном телефоне могут охлаждать процессор. Там охлаждение обеспечивает небольшой кристалл (либо комбинация кристалл+микроэлектромеханическая система).

Фотовольтаика

За счет поляризации сегнетоэлектрики позволяют солнечную энергию переводить в электрическую, коэффициент полезного действия этого процесса довольно мал, но может сочетаться с другими способами ее накопления. Сегодня распространены кремниевые солнечные батареи, действие которых основано на полупроводниковом эффекте. Но их КПД также невысок, и чистый кремний довольно дорог. Поэтому поиск альтернативных вариантов продолжается все время.

Один из них — полупроводниковые гетероструктуры на основе арсенида галлия, но и они, несмотря на более высокий КПД, еще более дороги.

А если получить гетероструктуры сегнетоэлектрик-полупроводник, то они могут иметь КПД еще выше. Технология же получения активных сегнетоэлектриков хорошо разработана, потому они не будут настолько дороги, как тот же арсенид галлия.

— Мы сейчас работаем вместе с одним из подразделений Инженерно-технологической академии ЮФУ (Таганрог), — говорит Илья Вербенко. — И если нам удастся получить гетероструктуры «сегнетоэлектрик-полупроводник», то можно ожидать при использовании этих веществ в солнечных батареях высоких эффектов. Пока наша работа — на стадии заявок в научные фонды.