http://www.ras.ru/news/shownews.aspx?id=112409f9-5f3f-4987-a763-2578dc439c65&print=1© 2024 Российская академия наук
Сотрудники Института лазерной физики СО РАН рассказывают «Науке в Сибири» о проекте, за который они получили золотую медаль Всемирной организации интеллектуальной собственности.
«Эта работа началась в 2011-2012 годах — мы вышли на новые мощности излучения компактных двухмикронных лазерных систем, и нам потребовалось снимать всё больше и больше тепла с кристаллов — активных элементов твердотельных лазеров. Существующие способы напыления металлизированных теплопроводящих покрытий нас не устраивали по своим техническим характеристикам, например, из-за низкой адгезии и однородности. Для того чтобы решить эту задачу, нашим коллегой, кандидатом физико-математических наук Петром Федоровичем Курбатовым была предложена оригинальная идея модернизации технологии напыления металлов в вакууме с использованием новой конструкции испарителя», — рассказывает руководитель сектора твердотельных лазерных систем с диодной накачкой ИЛФ СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Маркович Ватник.
«Дело в том, что активный элемент в лазере находится под высокой нагрузкой, не вся энергия накачки эффективно преобразуется в генерацию, часть её превращается в тепло. Если его вовремя не убрать, кристалл может перегреться и даже разрушиться. Аналогичные проблемы возникают и в полупроводниковых структурах, СВЧ-технике и других областях», — говорит Петр Фёдорович Курбатов. Так, недостаточная стойкость полупроводниковых элементов к разрушению от перегрева значительно сдерживает развитие силовой электроники.
В конструкции учёных из ИЛФ СО РАН использован метод вакуумного дугового анодного испарения металлов. Он предназначен для нанесения покрытий, необходимых, чтобы обеспечить эффективный теплообмен между кристаллом и теплоотводом. Благодаря этому увеличивается эффективность лазерных систем, а также возрастает порог разрушения активных элементов под воздействием накачки.
Разработка значительно улучшает технический процесс и параметры напыляемых покрытий: позволяет получить высокие однородность и адгезию к подложке и перейти к безкапельному режиму с большой скоростью осаждения.
Помимо этих основных, конструкция обладает еще целым рядом преимуществ. Во-первых, она увеличивает эффективность использования напыляемого материала (до 80% в сравнении с аналогами, которые обеспечивают не более 10%). «При испарении в других методах большая его часть осаживается на стенках вакуумной камеры, то есть расходуется неэффективно. В нашей же конструкции при напылении формируется конус направленности, благодаря которому весь материал, практически без остатка, осаждается на поверхность подложки», — рассказывает руководитель проекта младший научный сотрудник ИЛФ СО РАН Иван Александрович Ведин.
Другое преимущество: здесь скорость распыления получается в несколько раз больше, чем в других методах (более 1 мкм/минута), при сохранении высокой однородности и других качеств плёнок и покрытий. Это позволяет значительно ускорить производственный процесс напыления. Также становится возможным эффективно распылять легкоплавкие металлы, такие как индий и алюминий, с высокой степенью ионизации.
Кроме того, при использовании технологии напыления с помощью запатентованного устройства появляются ионизированные потоки металлов, которые могут обладать специальными свойствами и способствовать формированию на рабочих поверхностях наноструктур с неизученными свойствами (по словам учёных, их надо изучать совместно с исследователями, занимающимися нанотехнологиями, пока же это направление в задачи проекта не входит).
Разработанная в ИЛФ СО РАН конструкция испарителя может применяться как в уже готовых вакуумных системах напыления металлов, так и при создании новых специализированных. «Установка изначально предназначалась для решения одной задачи: организация эффективного теплоотвода с активных элементов. Но она оказалась настолько удачной, что может при незначительной доработке использоваться для целого спектра применений», — комментирует Сергей Ватник.
«Мы закончили первый этап реализации проекта — разработали и усовершенствовали конструкцию испарителя, запатентовали её, было проведено экспериментальное макетирование узлов и рабочих режимов системы, проведены предварительные опыты по напылению металлизированных покрытий и изучению их свойств: адгезии, однородности, прочности. В дальнейшем планируется создание промышленного образца устройства», — утверждает Иван Ведин.
«Для того чтобы реализовать следующий этап, нам, по всей вероятности, будут нужны партнёры, с которыми мы могли бы поделиться своими техническими и технологическими возможностями для организации промышленного производства. Потенциально круг заказчиков примерно понятен. Если кто-то откликнется, мы с удовольствием пойдём на контакт», — говорит Сергей Ватник.
Диана Хомякова, Наука в Сибири