С 3 по 5 августа 2011 г. в городе Черноголовке Московской области на базе Института проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН — одного из ведущих институтов России в области микро- и наноэлектроники — пройдет Второй международный симпозиум «Нанотехнологии, энергетика и космос» (НЭК-2011)
Являясь продолжением успешного первого симпозиума, проведенного в Хьюстоне (штат Техас, США) 25 — 28 октября 2009 г., совместно организованного Институтом физики полупроводников имени А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук и Центром перспективных материалов в университете Хьюстона, он будет направлен на продолжение традиций первого симпозиума, обсуждение способов применения нанотехнологий и проблем материаловедения в областях получения, накопления, передачи и использования электроэнергии в земном и космическом пространстве. Симпозиум будет посвящен обсуждению использования нанотехнологий в космическом пространстве, аэродинамике космических аппаратов, получению ультравысокого вакуума в низкоорбитальном космическом полете, развитию вакуумных тонкопленочных технологий для производства солнечных батарей и других передовых технологий.
В симпозиуме примут участие ведущие ученые в этой области из научных организаций 8 стран мира, в том числе из Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова СО РАН, где сегодня ведутся передовые разработки по созданию современных технологий, применяемых как на земле, так и в космосе.
Первые установки ИФП
Как легенда, звучит рассказ о том, как появилось технологическое направление МЛЭ в ИФП СО РАН, да и в стране в целом. После своего возвращения из очередной командировки в США первый директор ИФП СО РАН академик Анатолий Ржанов делился на семинаре своими впечатлениями о посещении лаборатории новоиспеченного Нобелевского лауреата профессора Лео Эсаки. Анатолий Васильевич передал ученым свое понимание важности только что родившегося направления, которое назвал «атомной инженерией вещества». Он повторил слова Эсаки: «Природа создала кристалл, а мы своими руками создаем не существующие в природе его многослойные композиции». Ржанов отметил, что если мы не возьмемся срочно за создание подобной технологии в нашей стране, то рискуем прозевать что-то вроде атомной бомбы в материаловедении.
Идея использования молекулярного экрана для получения ультравысокого вакуума в космосе на низких орбитах принадлежит американским ученым. Их расчеты показали, что если в космическом пространстве на высоте 200 — 400 км там, где летают орбитальные станции, будет с первой космической скоростью двигаться экран — полированный диск из нержавеющей стали, то в его кильватерной области образуется конусный след, практически лишенный вещества.
Первая сверхвысоковакуумная установка МЛЭ в Институте физики полупроводников была запущена уже в 1979 году в группе Олега Пчелякова при активном участии ведущего научного сотрудника Лео-нида Соколова и инженера Михаила Ламина. Она называлась «МАВР». Примерно в это же время появилась первая промышленная установка «ТЭМП». Название «ТЭМП» расшифровывалось как технология эпитаксии из молекулярных пучков. В 1983 году совмест-но с Институтом ядерной физики была создана установка «Селенга». Ее изготовление курировал ведущий научный сотрудник ИФП СО РАН В. П. Мигаль, который внес решающий вклад в разработку технологии МЛЭ приборных структур для сверхвысокочастотной техники. Эксплуатацию этой установки продолжила группа Юрия Кантера. Параллельно в институте велась разработка уникальной многомодульной установки «М», отличающейся оригинальной компоновкой почти всех систем. Разработка велась под руководством Юрия Щекочихина. А затем благодаря удачно сложившемуся творческому контакту лаборатории Сергея Стенина с конструкторским отделом под руководством Генриха Потемкина в бывшем специальном конструкторско-технологическом бюро при решающем вкладе ведущих конструкторов Виктора Блинова и Александра Сущих появилась конструкторская документация на целое семейство установок с названиями сибирских рек — «Ангара» и «Катунь».
На опытном заводе главным «мотором» и организатором производства установок МЛЭ был заслуженный технолог России, дважды лауреат государственных премий Геннадий Третьяков. В процессе изготовления каждой установки, кроме сотрудников опытного завода, принимали участие многие сотрудники института. Но главными хозяевами положения с комплектацией, наладкой и испытаниями установок были Ю. Ваулин и Н. Митюк. Именно это оборудование, прошедшее через их руки, наряду с импортным (мы тогда мечтали вытеснить с внутреннего рынка импорт) и позволило не допустить безнадежного отставания нашей науки и технологии от мировой в области МЛЭ. Теперь мы можем сказать, что не прозевали этой «атомной бомбы».
При реализации процесса МЛЭ в вакуумных установках факторами, лимитирующими получение высококачественных структур, являются глубина и чистота вакуума, производительность откачной системы, а также наличие стенок вакуумной камеры, накапливающих и отдающих компоненты молекулярных пучков и атмосферы остаточных газов, загрязняющих подложку и пленку. Эти недостатки могут быть устранены при выносе технологической бескорпусной установки в открытый космос в «кильватерную» область молекулярного экрана.
Проект «Экран»
История Сибирского космического проекта «Экран» берет свое начало в 1995 году, с рассмотрения проектов по выращиванию полупроводниковых тонкопленочных композиций в условиях орбитальной станции «Мир» на совещании Секции космического материаловедения Совета по космосу РАН, председателем которой был академик Юрий Осипьян. На этом совещании проект ИФП СО РАН был поддержан во многом благодаря высоким экспертным оценкам академиков Александра Чернова, Камиля Валиева, Александра Орликовского и директора Центра космического материаловедения при Институте кристаллографии РАН профессора Бориса Захарова. Первыми заказчиками этой работы стали Международный центр полезных нагрузок космических объектов и Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С. П. Королева. По их заказу в Новосибирске был также спроектирован и изготовлен первый в стране стенд — имитатор космического вакуума. Сотрудники отдела роста и структуры полупроводниковых материалов ИФП СО РАН под руководством лауреата государственной премии профессора Олега Пчелякова в 1996 — 2001 годах выполнили разработку технологического оборудования для получения полупроводниковых пленок в условиях открытого космического пространства. Эта работа проводилась в рамках программы «Эпитаксия» секции фундаментальных космических исследований РАН и договора на выполнение особо важных работ для государственных нужд «Экран».
Научная аппаратура для космического эксперимента по плану разработчиков должна была размещаться на орбитальной станции «Мир». Проект «Экран» был бы уже реализован, если бы в связи с решением вице-премьера Б. Немцова 21 марта 2001 года станция «Мир» не была затоплена в водах Тихого океана. За этим последовало прекращение финансирования космических проектов. Только в 2006 году в ИФП СО РАН возобновилась работа над созданием нового комплекта научной аппаратуры для космического эксперимента «Экран», ориентированного теперь на проведение экспериментов в условиях российского сегмента международной космической станции. Для изготовления металлоемких вакуумных изделий разработанная документация передавалась на Опытный завод СО РАН, где она проходила глубокую технологическую проработку. На восстановленном производственном участке опытного завода и на экспериментальном производстве ИФП СО РАН при участии конструкторско-технологического Института научного приборострое-ния СО РАН за период с 2006 по 2009 год было изготовлено два комплекта наземного сверхвысоковакуумного оборудования для выращивания полупроводниковых наноструктур и эскизный образец научной аппаратуры для космического эксперимента «Экран-М». Наземные установки размещены в новосибирском техническом и томском классическом университетах. А новый стенд-имитатор космического вакуума с эскизным вариантом установки для космического эксперимента проходит в настоящее время лабораторные испытания в ИФП СО РАН. Планируется изготовление копии такого стенда — имитатора для кафедры технической физики Сибирского аэрокосмического университета в Красноярске, где будет проходить подготовка молодых специалистов для освоения новой космической технологии.
Эксперименты в космосе
Работы по направлению использования космического вакуума для выращивания полупроводниковых тонкопленочных многослойных систем и наноструктур проводятся в настоящее время только в двух странах — США и России. Работы по американскому проекту были инициированы в 1989 году Центром эпитаксии в космическом вакууме (университет, г. Хьюстон). Они были направлены на преодоление принципиальных ограничений традиционных вакуумных технологических процессов, проводящихся в наземных условиях. Для этого используются физические факторы открытого космического пространства, приводящие к предельно возможной скорости откачки всех компонентов газовой среды, включая инертные газы. Особенно яркий эффект дает использование «молекулярного экрана», с помощью которого, как показывают расчеты и результаты американских экспериментов, возможно получение такого разряжения газовой среды, которое не может быть в принципе достигнуто в наземных условиях.
В 2004 году был подписан Меморандум о сотрудничестве Хьюстонского университета и ИФП СО РАН в области космического материаловедения. Теперь проект «Экран» является международным. К нему во время саммита президентов России и Казахстана в новосибирском Академгородке в 2006 году присоединились ученые из Алма-атинского физико-технического института под руководством Серекбола Токмолдина.
Очередной этап совместных работ связан с наземными экспериментами по отработке технологии синтеза полупроводниковых наноструктур для разнообразных приборных применений. Они будут проводиться на стендах-имитаторах космического вакуума, которые созданы в ИФП СО РАН, где планируется их изготовление для американской и казахстанской сторон. Совместно с ЦНИИмаш ЦСКБ «Прогресс» будет продолжено проектирование новых вариантов реализации космических экспериментов, исследование свойств полупроводниковых структур и конструкционных материалов, побывавших в космосе и подвергшихся воздействию многих факторов открытого космического пространства, включая радиацию и интенсивные микрометеоритные потоки.