Менушенков Алексей Павлович
advertisement
О ПОДГТОВКЕ КАДРОВ И ИССЛЕДОВАНИЯХ В ОБЛАСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ В МИФИ СТРИХАНОВ МИХАИЛ НИКОЛАЕВИЧ РЕКТОР МИФИ О перспективах развития образования в области наносистем, наноматериалов, нанотехнологий в целях подготовки кадров для развития национальной нанотехнологической сети (из протокола заседания Правительственной комиссии по высоким технологиям и инновациям от 3 сентября 2008 г.) 1. Отметить необходимость объединения усилий образовательного,научного и предпринимательского сообществ по формированию в стране междисциплинарной подготовки специалистов в области нанотехнологий. 2. Минобрнауки, Минпромторгу, Минкомсвязи России совместно с заинтересованными федеральными органами исполнительной власти, государственными академиями наук и ГК «Роснанотех» разработать комплекс мероприятий, направленных на развитие образования в области наносистем, наноматериалов, нанотехнологий и внести соответствующие предложения в Правительство РФ до 1 февраля 2009 года, обратив особое внимание на: - прогнозирование потребностей рынка в специалистах; - ускорение разработки соответствующих профессиональных стандартов; - развитие системы междисциплинарной подготовки и повышения квалификации специалистов; - разработку механизмов привлечения абитуриентов из регионов и создание условий для иногородних студентов в вузах Москвы и СанктПетербурга; - популяризацию возможностей и перспектив, связанных с применением нанотехнологий. 2 Развитие междисциплинарной подготовки специалистов. Нанотехнологии отличаются от традиционных технологий надотраслевым характером, который требует новых подходов к подготовке специалистов. Это междисциплинарная подготовка по нанотехнологическим специализациям в рамках широкого круга специальностей в области физики, химии, материаловедения, метрологии, биофизики, медицины и др. Формы подготовки кадров: межкафедральная и межфакультетская. 3 Примеры структур МИФИ, осуществляющих междисциплинарную подготовку. - - - Высший физический колледж Российской академии наук и Рособразования в МИФИ Совместный научно-образовательный центр «Подготовка кадров для нанотехнологий, атомной науки и промышленности» МИФИ - РНЦ “Курчатовский институт” НОЦ МИФИ по направлению «нанотехнологии» 4 Научно-образовательный центр «Подготовка кадров для нанотехнологий, атомной науки и промышленности» МИФИ - РНЦ «Курчатовский институт» Цель: формирование современной эффективной системы подготовки и переподготовки квалифицированных кадров для нанотехнологий, атомной науки и промышленности, а также создания эффективной инновационной системы и реализации инновационных проектов на основе интеграции научного, образовательного и инновационного потенциала. 5 НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР (НОЦ МИФИ) по направлению “ нанотехнологии ” Подготовка кадров Научная работа НАУЧНООБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР (НОЦ МИФИ) Центр коллективного пользования Информационноаналитический центр Центр коммерциализации (Технопарк) НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЦЕНТР МИФИ по направлению «Нанотехнологии» Подготовка кадров в МИФИ 1. Кафедра физики твердого тела и наносистем 2. Кафедра компьютерного моделирования наноструктур 3. Кафедра наноразмерных наноэлектроники 4. Кафедра микро- и наноэлектроники гетероструктур 5. Кафедра лазерной физики 6. Кафедра физики плазмы 7. Кафедра физических проблем материаловедения 8. Кафедра молекулярной физики 9. Кафедра электрофизических установок 10. Кафедра химической физики 11. Кафедра электроники и СВЧ- Стратегические партнеры МИФИ в области нанотехнологий 1. Российский научный центр «Курчатовский институт» 2. Российская госкорпорация нанотехнологий 3. Головные организации отраслей по направлениям развития нанотехнологий: НИИФП им. Ф.В.Лукина, ВНИИНМ им. А.А. Бочвара, МИЭТ, ЦНИИКМ «Прометей», ВИАМ, ЦНИИХМ. 4. Предприятия и институты Росатома: ВНИИЭФ (г. Саров), ВНИИТФ (г. Снежинск), ИТЭФ, Концерн «Росэнергоатом», Концерн «Системпром» и др. 5. Академические институты: ФИАН, ИОФ РАН, ИК РАН, ИФТТ РАН, ИРЭ РАН, ФТИ РАН, ИХФ РАН, ИКИ РАН, ИММ им. А.А. Байкова РАН, ИФХ РАН и др. 6. Другие организации: ВНИИФТРИ, НИИ «Титан» и др. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ МИФИ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ НАНОСТРУКТУРЫ НАНОЭНЕРГЕТИКА ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ МИФИ В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ КОНСТРУКЦИОННЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКА НАНОМЕТРОЛОГИЯ Наноэнергетика Разработка технологии роста углеродных нанотрубок для создания систем с холодными эмиттерами; Создание и изучение новых нановеществ на основе метастабильных кластерных форм, способных запасать и выделять энергию, значительно превосходящую энергию известных химических энергоносителей; Лазерное напыление тонких наноструктурированных пленок ВТСП для сверхпроводящих накопителей энергии; Разработка аккумуляторов механической энергии и демпфирующих устройств нового поколения на основе наносистем «несмачивающая жидкость - нанопористое тело»; Глобула из углеродных нанотрубок, СТМ Графитовая бумага с Yнанотрубкой, СТМ Использование УДС и нано-порошков диоксида урана в качестве добавок к порошкам для совершенствования производства топливных таблеток АЭС или улучшения их характеристик. Поверхность наноструктурированной топливной таблетки, АСМ СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ Повышение критического тока ВТСП за счет внедрения наноразмерных добавок соединений TaC, NbC, HfN, NbN, Si3N4 1600 1500 1400 1300 Jc(H=0)/Jcmax(H=0), î òí . åä. Çàâèñèì î ñòü Jc(H) ï ðè ðàçë è÷í û õ êî í öåí òðàöèÿõ ZrN #150_Bi2223 áåç äî üàâî ê #172_Bi2223_0_1_ZrN #173_Bi2223_0_2_ZrN #171_Bi2223_0_27_ZrN 1200 Jc, A/cm2 1100 1000 900 800 700 1 NbC NbN TaC 0.5 600 500 400 300 200 0 100 0 5 10 15 20 25 30 H, mT 35 40 45 50 55 0 5 10 13 n, 10 ñì 15 -3 20 Лазерное напыление тонких эпитаксиальных наноструктурированных пленок ВТСП для создания сверхпроводящих проводов 2-го поколения Схема напылительной установки. 1 - лазерный луч; 2-кварцевая линза; 3 - подложка; 4 - нагреватель; 5 входные окна; 6 - мишень; 7 - эрозионный факел Микрофотографии пленок YBa2Cu3O7-y: а- прямое напыление б- параллельное в- с экранированием прямого эрозионного факела увеличение: x4000 Иccледование левитации 9 7 11 6 14 5 10 8 12 4 13 2 1 3 Перспективы применения: транспорт (поезда на магнитной подушке), энергетика: безфрикционный магнитный подвес для турбин, центрифуг, кинетических накопителей энергии. Композитные материалы на основе углеродных нанотрубок для роторов урановых газовых центрифуг нового поколения 1400 Модуль упругости, ГПа 1200 Композиты на основе нанотрубок 1000 800 600 Выпускаемые углеродные волокна 400 200 2 14 26 38 50 Предел прочности, ГПа Характеристики: - 1÷2 % углеродных нанотрубок повышает в 2-7 раз прочность волокон углеродных композитов; - увеличение удельной разделительной способности газовой центрифуги в 1,5 раза и более раз Устройство центрифуги Нанотехнология демпфирования удара и аккумулирования механической энергии Удар Пружинный тормоз Шток Уплотнение Гидротормоз Пористое тело (наноструктура) Принцип действия основан на использовании энергетики динамического перколяционного перехода в системе пористое тело с нанометровым размером пор и несмачивающая жидкость Патент МИФИ Область применения: системы обеспечения безопасности человека, амортизаторы, гашение вибраций в автомобильной, авиационной, космической и другой технике. Характеристики: 1,5 литра нанопористого тела полностью поглощают энергию автомобиля весом 1 тонна, движущегося со скоростью 50 км/ч. Жидкость Порошок - пористое тело (наноструктура) Конструкционные наноструктурированные материалы для энергетики Получение наноматериалов методом быстрой закалки Принцип метода: Наноструктурное состояние 1 – пульт управления; 2- высокочастотный генератор; 3- баллон с инертным газом; 4 – система напуска газа; 5 – прибор регулирующего типа Р111; 6 – потенциометр КСП-4; 7 – корпус камеры; 8 Быстрозакаленный – кварцевый или керамический питатель; 9 сплав в виде ленты – термопара;10 – высокочастотный индуктор; 11 – расплав; 12 – закалочный медный диск; 13 – лентосъемник; 14 – вакуумная система с термопарным вакуумметром ВТ-2А; 15 – агрегат вакуумный АВЗ-20Д; 16 – лентоприемник; 17 – быстрозакаленная лента Производительность установки – 25 нм 500кГ/год Индуктор (10) расплавляет кристаллический слиток в кварцевом тигле (8). Подается избыточное давление и из тигля через сопло расплав (11) выдавливается на вращающейся медный диск-холодильник (12). При помощи лентосъемика (13) застывший расплав в виде ленты (17) попадает в лентоприемник (16). Наноструктура 25 нм Создание наноструктурированных поверхностных слоев при обработке потоками импульсной газовой плазмы Условия обработки Плотность энергии падающего потока плазмы, q=10–100 Дж/см2; Средняя плотность мощности потока плазмы, Q= (3–100) 105 Вт/см2; Длительность воздействия, τи= 10–60 мкс; Число импульсов облучения, N = (1– k×10) Микроструктура поперечного шлифа стали 45, облученной потоками азотной плазмы (Q = 1,3·106 Вт/см2, N = 3) Микроструктура модифицированного слоя стали 0Х16Н15М3Б, обработанной потоками импульсной плазмы (Q = 5.106 Вт/см2, N = 3) Зависимость среднего размера ячеек от удельной мощности падающего потока: 1 12Х18Н10Т; 2 НП2Эви; 3 0Х16Н15М3Б; 4 03Х20Н45М4БЦ (lh = 50 нм1,5 мкм) Поиск новых энергоносителей на основе метастабильных нанокластеров Цель работы – разработка физических основ создания новых энергоносителей на основе метастабильных нанокластерных и полимерных форм и состоящих из элементов, не образующих в обычных условиях конденсированных веществ,- азота, гелия. Такие нановещества способны запасать энергию от 3 до 50 раз больше, чем известные "химические" энергоносители, а также полностью выделять запасенную энергию за короткие времена. На данном этапе поиск проводится методами компьютерного моделирования. Химические реакции Ядерные реакции ???? 0.1 1.0 10. ʅ ʅ 105 106 эВ/атом Кластеры и их ансамбли Диапазоны энергоёмкости Азотные нанокластеры и их ансамбли. Полимерный азот. предсказана возможность существования ансамблей из кластеров N8 (так называемых «лодок»), т.е. конденсированной фазы, собранной из «кирпичиков» кластеров N8. Это новое нановещество должно быть устойчивым при нормальном давлении и нагреве до 800К. Выяснены причины возможной неустойчивости конечных кластеров Гош структуры полимерного азота и вычислены времена их жизни Результаты исследований гелиевых кластеров Метастабильный R Определены параметры кластеров спин-поляризованного гелия с различной структурой. R0 кластер He4* с полным спином S=2. Показано, что для метастабильных спинполяризованных кластеров гелия выигрыш по удельной массовой энергоемкости может достигать 50. Показано, что продукты распада данных HEDM - молекулы азота и атомы гелия, соответственно, являются чрезвычайно устойчивыми к ионизации и распаду, т.е. не преобразуют выделившуюся энергию во внутреннюю, малоэффективную компоненту. Две метастабильные конфигурации метастабильного кластера He12* с полным спином S=6, состоящего из шести молекул (квазиатомов) He2*. Что это может дать! В случае успешной реализации работ в этом направлении, открывается возможность создания принципиально новых веществ, энергоемкость которых значительно превышает параметры обычных топлив и не требует наличия окислителя. Предполагаемые энергетические параметры HEDM на основе азота и гелия. Удельная запасенная энергия на 1см3 вещества [кДж/см3] Удельная запасенная энергия 1грамм вещества [кДж/г] Кластеры азота 20 52 7 17 >10.000 Ко 200400 Гелий (спинполяризованный) 236 70 >100.000 Ко 1500 1890 Вещество Максимальная на температура [Ko] Удельный импульс [c] Исследования углеродных кластеров Кубейн C8H8. Открыт в 1964 году. Представляет собой метастабильный кластер. Запасает энергию более 6 эВ. Характеризуется высоким потенциальным барьером, препятствующим его переходу в равновесное состояние; поэтому отличается сравнительно высокой устойчивостью и способен образовывать твердое тело с температурой плавления около 130оC. Мало изучен. Возможные пути использования: в качестве топливного элемента, в медицине (например, для локального повышения температуры в окрестности опухоли) и др. Наноэлектроника Cинтез и исследование новых материалов на основе сверхтонких слоев оксидов редкоземельных металлов для подзатворного диэлектрика МОП -транзисторов нового поколения; Синтез и исследование проводящих материалов для металлических затворов в МОП-приборах нового поколения; Разработка физических основ технологии изготовления элементов памяти на основе магнитных туннельных переходов (спинтроника). a-NiSix a-Si (3.5 nm) HfO2 (2.7 nm) Si(100) МОП-транзистор КАФЕДРА ФИЗИКИ НАНОРАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР И СВЧ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ Процесс эпитаксиального роста готовый образец Рост слоёв полупроводников AlхGa1-хAs, InуGa1-уAs, GaAs формирование квантовых ям, квантовых точек Квантовые точки InAs/GaAs – скан атомно-силового микроскопа Молекулярно-лучевая эпитаксия для формирования наногетероструктур А3В5. Установка МЛЭ Riber (Франция) Современные СВЧ микросхемы на основе наногетероструктур Первая отечественная наногетероструктурная СВЧ МИС 2-х- каскадного малошумящего усилителя - разработана и изготовлена в ИСВЧПЭ РАН Достижения в разработке, совместно с НПФ «Микран» Томск моделировании, изготовлении: Широкополосных, малошумящих усилителей. Рекордно низкий коэф. шума Кш=0,37дБ, Кус=10дБ, f=9-12ГГц - мощных транзисторов на AlGaN/GaN W=1,1 Вт/мм, граничная частота 100 ГГц. -Транзисторов К-диапазона АФАР (граничная частота fmax=190ГГц) - Длина затвора (топологическая Изготовленная СВЧ микросхема вставлена в норма) 100-190 нанометров модуль бортового локатора МИГ на АФАР, демонстрировавшегося на авиасалоне МАКС – 2007 Рабочие частоты ~ 10-15 ГГц ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК Синтез Yобразной нанотрубки, как основы нанотранзистора ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК МЕТОДОМ ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИИ 50 нм Подложка – полимерная пленка, применение: для конденсаторов высокой емкости Оборудование для исследования физических свойств наносистем Исследовательский комплекс ИЛО-РФЭС-СРМИВИМС (на базе XSAM-800, Kratos) МИШЕНИ: Hf, La, Al, Au, Pt, Si, Ge, Ni, Ti, Sb, B, …… ИОННЫЙ ИСТОЧНИК (Ar+, He+, H+, …) РЕНТГЕНОВСК ИЙ ИСТОЧНИК ПОЛУСФЕРИЧЕСКИЙ ЭНЕРГОАНАЛИЗАТОР ЛАЗЕР ИМПУЛЬСНОЕ ЛАЗЕРНОЕ ОСАЖДЕНИЕ ПК КАМЕРА РОСТА ДЕРЖАТЕЛЬ ОБРАЗЦОВ С НАГРЕВАТЕЛЕМ ДО Т=10000С АНАЛИТИЧЕСКАЯ КАМЕРА КВАД. МАСССПЕКТРОМЕТ Р НАПУСК РЕАКТИВНЫХ ГАЗОВ O2, N2, Измерение методом STM и TEM атомной структуры нанокластеров металлов на углеродных подложках и в твердотельных матрицах …… Нанокластеры Нанокластер Au/С, СТМ 7х7 Au@C, ПЭМ нм 50х50 нм Сканирующие нанотвердомеры «НаноСкан» и «Супер-НаноСкан» Режимы измерений: Контактный динамический режим (рельеф поверхности / карта распределения модуля упругости). Разрешение по XY: 0.15 нм ; Разрешение по Z: 0.07 нм Индентирование /склерометрия (с макс. нагрузкой до 10 гр.); Динамическое наноиндентирование Оборудование, закупаемое в 2008 г. под НОЦ Высоковакуумный сканирующий зондовый микроскоп с методиками СТМ, АСМ и МСМ, Multiprobe MXPS RM, VR, AFM 25 “Omicron” (Германия) оборудованный системой рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и камерой препарирования Источник осаждения нанокластеров с квадрупольным масс-фильтром NanoGen50 (Mantis Deposition Ltd., Великобритания) Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Функциональные наноматериалы для энергетики (обзор) Твердотельная энергосберегающая и экологически чистая энергетика Основные области применения: Транспортировка и хранение топлива Альтернативные источники энергии Получение экологически чистого топлива Энергосбережение за счет уменьшения сил трения и вязкости Улучшение проводимости контактов Уменьшение сопротивления проводников Уменьшение потерь энергии при передаче Создание новых топливных элементов с большим К.П.Д. Транспортировка и хранение водородного топлива 3D-модель заполнения водородом массива углеродных нанотрубок Модель заполнения массива нанотрубок а) кремния и b) углерода при температуре 298 K и давлении 10 МПа Наноматериалы в солнечных батареях – новые перспективы альтернативной энергетики Новые энергосистемы на основе углеродных нанотрубок могут проводить электричество в 1000 раз лучше медных проводов. КПД 36% Работает даже ночью, утилизируя ИК-лучи, которые испускает Земля Гораздо дешевле традиционных солнечных батарей Экологически чистое топливо Через молекулярные «ворота» проникают молекулы двуокиси углерода, а более крупные молекулы (метановые) остаются в веществе. Практическое применение это находит при фильтрации двуокиси углерода из природного газа и при создании автомобильных катализаторов. Уменьшение сил трения и вязкости в микромеханических системах Наноразмерные неровности поверхностей сокращают площадь контакта между поверхностями. Таким образом, металлические материалы с наноструктурой обладают повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Эффект износостойкости и малого коэффициента трения проявляется при использовании полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например, со сфероподобными молекулами С60) и фуллеридов (легированных фуллеренов, например, FexC60), наноструктурных многослойных пленок сложного состава на основе кубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающих очень высокой (до 70 ГПа) твердостью. Энергосбережение за счет увеличения ресурса работы техники При техническом сервисе благодаря применению наноматериалов можно значительно (до 1,5-4 раз) увеличить ресурс работы машин, уменьшить вредные выбросы и эксплутационные затраты (в том числе расход топлива). Наноматериалы, в основном фуллерены, вводят в смазочные материалы, которые уменьшают трение и обеспечивают процесс “износвосстановление”. 1,60 12 1,40 10 1,20 8 раз % 1,00 0,80 С использов анием фуллеренов ых препаратов 6 Без использов ания 0,60 4 0,40 2 0,20 0,00 0 Мощность дв игателя Потребление топлив а Срок службы смазочных материалов Расход смазочных материалов Продолжительность обкатки агрегатов Износостойкость трущихся соединений Улучшение проводимости контактов Внедренные в полимерную матрицу углеродные нанотрубки обеспечивают ее электро- и теплопроводность, их можно рассматривать, как нанопроводники. Нанотрубки увеличивают проводимость в сотни раз сильнее обычных добавок, используемых для повышения проводимости материалов. Благодаря этому нанотрубки формируют объемную электропроводную структуру при введении в очень малых количествах, что позволяет добиться проводимости полимеров при значительно меньшей доле нанотрубок по сравнению с традиционными сажевыми добавками. Данные компании Nanocyl S.A. Уменьшение сопротивления проводников Нанопроволочные приборы показали на два порядка меньшее контактное сопротивление и на три порядка меньший уровень электрических шумов по сравнению со стандартной кремниевой технологией. Уменьшение потерь энергии при передаче В наноматериалах оптический сигнал передается во много раз быстрее и без потери энергии, так как перенос информации происходит с помощью фотонов. Благодаря этому диссипация энергии в электронных устройствах практически сводится к нулю. Один из вариантов использования данной технологии – создание источников света. Поскольку около 15 - 20% вырабатываемой электроэнергии расходуется для освещения, то использование источников света с новым принципом работы сулит огромный экономический эффект. Выделяемая энергия в виде света Разрабатываемые диоды световой эмиссии 70% Оптические микросхемы на основе периодических структур Электрическая лампочка Потери энергии 30% 28% 72% 4% 0% 96% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Энергосбережение на тепловых электростанциях Применение новой технологии создания топливных элементов на основе «Жидкой керамики» приводит к значительной экономии энергии на тепловых электростанциях. К.П.Д. 95% 100% 90% 80% 70% 60% 40% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Сжигание мазута Новые топливные элементы на основе жидкой керамики Наноматериалы для атомной энергетики Перспективы развития атомной энергетики связаны со снижением удельного потребления природного урана, в основном за счет увеличения глубины выгорания ядерного топлива. Для этого необходимо создание крупнокристаллических структур ядерных материалов с контролируемой пористостью, удерживающих продукты деления и препятствующих транспорту осколков деления к оболочке тепловыделяющего элемента и ее внутреннего повреждения. Активация процесса спекания за счет добавок нанометрического размера – одно из направлений создания новых видов уранплутониевых оксидов и нитридов для ядерной энергетики. Спасибо за внимание!
