Эти материалы применяются повсеместно: от классической сенсорики до умных систем и автономной электроники. Ноу-хау ученых сделает приборы и технику более долговечными, компактными и энергоэффективными.
В ПГУ модернизировали метод для создания пьезоэлектрических материалов, что позволило увеличить срок службы покрытия и стабильность его характеристик. Исследователи синхронизировали подогрев подложки и скорость подачи раствора, что дает возможность тонкой пленке равномерно нарастать. Также предлагается использовать стабилизированные растворы многокомпонентных систем, органо-металлические и модифицированные соли. Эти новшества помогают управлять ориентацией кристаллов, влияющей на пьезоэлектрический отклик.
Однородная микроструктура и контролируемая кристаллографическая ориентация пьезоэлектрических пленок увеличивают коэффициент преобразования механического воздействия в электрический сигнал. Это означает, что датчики смогут фиксировать даже минимальные колебания или давление. Ученые также уменьшили пористость и дефектность таких покрытий, что увеличивает срок службы пленок и стабильность их характеристик. Управляемая морфология поверхности и снижение внутренних дефектов позволяют уменьшить деградацию свойств при длительной эксплуатации.
Новый подход сделает конечную продукцию более чувствительной, точной, долговечной, компактной и энергоэффективной. Технология позволяет наносить покрытия на сложные подложки, включая кремний, что открывает возможности интеграции с микроэлектронными и МЭМС-устройствами. За счет точного контроля параметров пленки можно «настраивать» покрытие под конкретное применение. Разработкой заинтересовались крупные предприятия Пензенской области, включая завод по производству архитектурного стекла. Технология дешевле существующих аналогов, сохраняет хорошее качество покрытий и легко масштабируется.
Тимур Зинченко, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры информационно-измерительной техники и метрологии, младший научный сотрудник межкафедральной научной лаборатории «Перспективные наноматериалы, покрытия и устройства электроники» Пензенского государственного университета, ответил на вопросы «Ъ-Науки»:
— Что является главным технологическим прорывом в вашем методе? Речь идет именно о принципиально новом контроле над структурой материала на атомарном уровне или в первую очередь об оптимизации существующего процесса?
— Главный технологический прорыв в технологии заключается в разработке методики получения покрытий с заданными свойствами, что служит началом внедрения искусственного интеллекта в систему получения тонкопленочных покрытий методом спрей-пиролиза. Поэтому скорее речь идет о модернизации процесса и внедрении его в полноценную автоматизированной систему на базе ИИ.
— Какие критические ограничения традиционного спрей-пиролиза вам удалось преодолеть? И как именно это повлияет на ключевые характеристики конечных устройств: их чувствительность, срок службы и стабильность?
— Классический метод спрей-пиролиза имеет ряд ограничений: тяжелая воспроизводимость, достаточно высокая пористость, бывает проблема стехиометрических отклонений. Эти проблемы решены благодаря разработанной методике и проведенным исследованиям. Воспроизводимость покрытий по разработанной методике перестала быть проблемой. Для уменьшения количества пор принято решение использовать двухстадийный процесс осаждения с промежуточным отжигом, что позволило сократить количество пор. Стехиометрические отклонения связаны с подготовкой раствора, для нужной ориентации кристаллов нужно строго контролировать pH раствора, использовать структурированные подложки, и после нанесения покрытия и отжига должно быть плавное охлаждение.
— Насколько органично ваша технология встраивается в современные производственные цепочки микроэлектроники? Требует ли ее внедрение революционных изменений на производствах или она становится естественным развитием существующих процессов?
— Так как спрей-пиролиз не требует вакуума и чистоты помещений класса 1, внедрение в промышленность достаточно простое. При этом в сравнении с вакуумными методами и оборудование, и себестоимость покрытий имеют низкую стоимость. Есть, конечно, нюансы, например, поскольку отработка технологии была на подложках, максимальный размер которых составил 100х100 мм, до конца неизвестно, какая будет однородность покрытий на подложках большей площади, плюс подготовка растворов на большие площади будет также иметь нюансы. Но все эти ограничения нивелируются проведенными исследованиями уже в масштабах промышленного производства.
— Насколько универсален ваш метод для создания разных типов устройств? Можно ли говорить о создании некой «цифровой платформы», где путем изменения параметров получают покрытия с заранее заданными свойствами для разных применений?
— Метод универсальный в плане получения покрытий, которые могут иметь различные свойства и, соответственно, различные применения. Все зависит от материала и возможности его нанесения данным методом. Планируется в дальнейшем полностью автоматизированный программно-аппаратный комплекс с внедрением цифрового двойника на базе ИИ.
— Проявление интереса со стороны производителя стекла — это случайность или признак фундаментальной универсальности метода? Открывает ли ваша разработка путь к созданию принципиально нового класса функциональных поверхностей в самых разных отраслях: от строительства до потребительской электроники?
— Проявление интереса со стороны производителя стекла — это прежде всего заслуга команды, которая проводила исследования, участвовала в конференциях, конкурсах, работала в сторону распространения результатов проведенных исследований в научных работах и статьях. Благодаря апробации результатов на нас обратили внимание и предложили обсудить варианты сотрудничества. Диалог продолжается.
Повторюсь, что метод позволяет получать покрытия для различных применений, свойствами покрытий можно управлять регулировкой режимов нанесения и параметров раствора. Поэтому да, открывает.
