Современная электроника развивается стремительным темпами, и для повышения производительной мощности электронных компонентов, уменьшения габаритов, а также снижения стоимости их производства возникает потребность в разработке новых технологий синтеза функциональных материалов, которые используются в процессе их изготовления.
На сегодняшний день наиболее распространенным способом получения новых материалов (в том числе полупроводниковых) в лабораторных условиях является метод соосаждения реагирующих компонентов, который заключается в последовательном смешении реагентов в химической посуде, например, в пробирках. При этом все операции обычно производит человек. В результате кропотливой работы исследователя получается так называемый прекурсор – суспензия или порошок, которая содержит все необходимые компоненты. После этого проводится термообработка прекурсора – например, в гидротермальных условиях – и последующие промывание и сушка целевого кристаллического материала.
Недостатками описанного способа получения прекурсора являются низкая производительность синтетического процесса и неоднородность получаемого прекурсора, что нередко приводит к образованию примесей в итоговом материале, которые ухудшают его функциональные характеристики. Более того, в связи с низкой производительностью такого синтетического подхода его реализация невозможна в промышленных масштабах: один оператор может производить за час всего несколько грамм готового продукта. Следовательно, возникает необходимость разработки новых способов получения функциональных материалов методами, потенциально перспективными для использования в промышленности.
«Совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) и Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе мы разработали перспективную для промышленной реализации микрореакторную технологию синтеза новых полупроводниковых материалов. Исследования полученных таким образом материалов показали, что их физико-химические характеристики лучше, чем у материалов, которые были получены с использованием традиционного способа приготовления прекурсора», – рассказал аспирант кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Макарий Ломакин.
Разработанная технология основана на применении специальных микромасштабных реакторов (микрореакторов) – аппаратов химической технологии, которые представляют собой компактные проточные устройства с патрубками для непрерывной подачи растворов реагентов. В таких устройствах производится смешение реагирующих компонентов в сталкивающихся с большой скоростью потоках жидкости, подаваемых насосами. Данных подход обеспечивает высокий уровень перемешивания реагентов за короткий период времени, что приводит к получению однородного по составу и структуре прекурсору с высокой производительностью.
При проведении экспериментов исследователи использовали одну из разновидностей этого аппарата – микрореактор с интенсивно закрученными потоками растворов реагентов, разработанный в СПбГТИ (ТУ) одним из ведущих ученых в области интенсификации процессов синтеза оксидных материалов, д.т.н., профессором Руфатом Шовкетовичем Абиевым. Такой метод синтеза был впервые использован учеными при получении многокомпонентного сложного оксида со структурой пирохлора, обладающего перспективными полупроводниковыми свойствами. Исследования показали, что материал, полученный при гидротермальной обработке синтезированного в микрореакторе прекурсора, не имеет примесей и обладает улучшенными функциональными характеристиками по сравнению с материалом, полученным известным способом.
Сложные оксиды, синтез которых ведется в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» при сотрудничестве с ФТИ им. А.Ф. Иоффе, являются одними из потенциальных материалов для применения в различных областях науки и техники, включая электронику и солнечную энергетику. Получение таких материалов с использованием микрореакторных технологий является перспективным направлением развития новых подходов к промышленному синтезу функциональных материалов.
«На сегодняшний день в промышленности получение различных химических соединений, как правило, производят в больших химических реакторах с мешалкой, что является, по сути, масштабированием лабораторного способа синтеза этих же соединений в химической посуде меньшего объема. В таких условиях невозможно обеспечить высокое качество смешения реагентов, что может приводить к пространственному обособлению компонентов и формированию примесей, снижающих качество конечного продукта. Нами было показано, что использование микрореакторных технологий при синтезе многокомпонентных соединений позволяет получать перспективные для различных приложений функциональные материалы заданного состава и структуры с высокой производительностью», – аспирант кафедры физической химии СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Макарий Ломакин.
