Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование ионно-стимулированного процесса нанесения многокомпонентных функциональных наноструктур в гибридной системе с магнитоактивированными плазменными источниками

Докладчик: Павлов Георгий Яковлевич

Должность: Заместитель генерального директор, к.ф-м.н.

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Создание инновационной продукции в радиоэлектронике, машиностроении, медицинской технике и других областях связано, как правило, с использованием новых композиционных и многокомпонентных материалов, причём экономически более целесообразным является использование многофункциональных плёночных слоёв на основе материалов сложного стехиометрического состава. Прорывным примером массового применения этих слоёв являются формируемые в едином технологическом процессе твердотельные слои электрохимической системы тонкоплёночных аккумуляторных структур, изолирующие слои ультрабыстрых силовых диодов, биосовместимые слои используемые при модификации поверхностей медицинских имплантов. В общем случае многофункциональные тонкоплёночные слои должны наноситься экономичным, экологически чистым, технически доступным и безопасным методом. Развитие вакуумно- плазменных технологий, используемых как в России, так и за рубежом создают научные и технологические предпосылки для замены намазных и гальванотехнических методов модификации поверхностей изделий на экологически чистые физические методы формирования нанокомпозиционных многокомпонентных плёночных структур. В конечном счёте, в этом направлении, задача может быть сформулирована так: вместо изготовления ответственных деталей и инструмента из дорогих и редких материалов использовать дешёвую сталь и пластмассу с многофункциональным композиционным покрытием. 2. Формулировка цели реализуемого проекта; конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта; места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы. Формулировки даются в краткой форме, научно-популярным языком. Создание научно-технологического задела, обеспечивающего: — получение значимых научных результатов, позволяющих впоследствии реализовать ОКР и ОТР по разработке специального технологического оборудования и промышленной ионно-стимулированной вакуумно-плазменной технологии формирования наноструктурированных многокомпонентных функциональных слоёв сложного стехиометрического состава, предназначенных для создания нового класса изделий профессиональной и специальной электроники. — вывод на рынок новой научно-технической продукции, в частности, сформированные вакуумно-плазменными методами многокомпонентные слои для приборов силовой электроники, для электрохимической системы тонкоплёночных аккумуляторных структур на гибких (ленточных) носителях; — повышение эффективности применения и производительности находящегося в эксплуатации вакуумно-плазменного технологического оборудования; — снижение экологической нагрузки на природу внедрением энергосберегающей экологически безопасной вакуумно-плазменной технологии получения защитных, антикоррозионных, износостойких многокомпонентных покрытий. Конкретными целями ПНИ являются: 1). Исследования и оптимизация параметров разрядно-плазменной системы для ионно-плазменного формирования многокомпонентных функциональных покрытий, позволяющей генерировать потоки плазмы исходного многокомпонентного материала с плотностью ускоренной ионной компоненты 10 - 20 мА/см2. 2). Разработка конструкции и создание ионно-плазменных источников, обеспечивающих скорость осаждения многокомпонентного материала более 1 мкм/мин с сохранением стехиометрического состава наноструктурированного образования. 3). Разработка экспериментальной технологии создания нанокомпозитных функциональных твердотельных слоёв электрохимической системы тонкоплёночных Li-ion аккумуляторных структур, формируемых на гибких носителях. 4). Разработка экспериментальной технологии получения изолирующих и пассивирующих слоёв, входящих в структуру силовых высоковольтных полупроводниковых приборов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
В настоящем проекте для исследований и разработки предлагается новая технология формирования наноструктурированных функциональных покрытий в неравновесных условиях с самоорганизацией наноразмерных структур при непрерывном воздействии на поверхность изделия газовой ионной компоненты и массопереносе, преимущественно за счёт ускоренной ионной компоненты плазмы материала покрытия. При этом обеспечивается проведение процесса формирования наноразмерной структуры плёнки без необходимости использования дополнительных легирующих элементов или соединений и открывается возможность нанесения функциональных покрытий из стандартных многокомпонентных сплавов с сохранением в плёнке состава расходного материала. Кроме того, при формировании покрытий в неравновесных условиях без термической активации процесса снижаются требования к термостойкости материала изделия и высококачественные функциональные покрытия данным методом могут наноситься на термолабильные материалы, включая пластмассы и лавсан. В результате, не только снижается себестоимость формирования функциональных и защитных покрытий, но и повышаются их качественные и эксплуатационные характеристики, а также появляются новые возможности использования ионно-плазменных технологий, например, для последовательного нанесения твердотельных слоёв сложной по составу электрохимической системы тонкоплёночных аккумуляторных структур на гибкие, в том числе, ленточные носители или для использования в качестве нанокомпозитных структур в изделиях силовой электроники.
В процессе выполнения ПНИ будут получены и сформулированы:
— конструктивно-технологические принципы построения разрядно-плазменных систем для получения многокомпонентных функциональных покрытий сложного стехиометрического состава;
— результаты экспериментальных исследований по оптимизации параметров ионно-плазменного (геликонного) и магнитоактивированного вакуумно-дугового источников и эффектов синэргизма при их совместной работе;
— результаты экспериментальных исследований физико-технических характеристик тестовых образцов кристаллов силовых полупроводниковых приборов на кремниевых пластинах;
— технико-экономическая оценка результатов ПНИ с рекомендациями и предложениями по их дальнейшему использованию, включая технические требования в виде проектов технических заданий на проведение ОТР по разработке опытно-промышленной технологии формирования нанокомпозитных структур твердотельных силовых полупроводниковых приборов и ОКР по созданию нового поколения промышленного вакуумно-плазменного оборудования.
Исходя из целей ПНИ ожидаемыми научно-техническими результатами ПНИ являются.
1. Комплекс теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающий разработку конструктивно-технологических решений по составу и структуре построения гибридной плазменной системы с магнитоактивированными плазменно-дуговыми и геликонными источниками.
2. Конструктивно-схемотехнические принципы построения технологических установок на основе гибридных вакуумно-плазменных реакторов.
3. Комплект эскизной конструкторской документация на экспериментальный образец установки (далее Установка).
4. Экспериментальные образцы плазменно-дугового и геликонного источников, входящих в состав гибридного плазменного реактора.
5. Экспериментальный образец технологической установки с гибридным плазменным реактором для нанесения многокомпонентных покрытий различного функционального назначения.
6. Комплекс экспериментальных исследований по выбору и оптимизации состава материалов нанокомпозитных анодных слоёв для тонкоплёночных аккумуляторных структур на основе кремния, допированного металлами (Al, Zn и др.); изготовленные мишени и катоды для нанесения слоёв из однокомпонентных и многокомпонентных электродов; наработанные экспериментальные образцы анодных слоёв с характеристиками, обеспечивающими достижение параметров тонкоплёночных аккумуляторных структур на уровне лучших мировых аналогов, или превосходящих их.
7. Комплекс экспериментальных исследований по выбору и оптимизации состава материалов нанокомпозитных катодных слоёв для тонкоплёночных аккумуляторных структур на основе LiV2O5 ( LiFePO4 и др.); изготовленные мишени и катоды для нанесения слоёв из многокомпонентных электродов; наработанные экспериментальные образцы катодных слоёв с характеристиками, обеспечивающими достижение параметров тонкоплёночных аккумуляторных структур на уровне лучших мировых аналогов, или превосходящих их.
8. Лабораторные технологические маршруты получения анодных и катодных слоёв тонкоплёночных аккумуляторных структур на гибких носителях.
9. Макетные образцы тонкоплёночных аккумуляторных структур на основе искомых анодных и катодных слоёв.
10. Экспериментальные образцы изолирующих и пассивирующих слоёв, входящих в структуру силовых полупроводниковых приборов и лабораторный технологический маршрут их получения.
11. Проект технического задания (ТЗ) на проведение опытно-технологической работы (ОТР) по разработке опытно-промышленной технологии формирования нанокомпозитных анодно-катодных структур твердотельных тонкоплёночных Li-ion аккумуляторов, изолирующих и пассивирующих слоёв силовых полупроводниковых приборов, включая технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.
12. Проект ТЗ на проведение опытно-конструкторской работы (ОКР) по созданию промышленного вакуумно-плазменного оборудования, включая технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учётом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера

2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), планируемой научной (научно-технической, инновационной) продукции.
Ожидаемые характеристики планируемых результатов и обусловленные ими перспективы достижения новых применений связаны с особенностями предлагаемой технологии, заключающейся в том, что:
- во-первых, массоперенос (чего нет у известных аналогов) осуществляется преимущественно ускоренной ионной компонентной материала плёнки, генерируемой магнитоактивированным вакуумно-дуговым источником;
- во-вторых, поверхность подложки и формируемой плёнки во время процесса постоянно поддерживается в атомно-чистом состоянии благодаря одновременному «ассистированию» процесса нанесения покрытия геликонным источником плазмы.
В результате этого плёнка формируется в принципиально неравновесных условиях при достаточно большом энергетическом воздействии на поверхность, а не при термической активации процесса (за счёт нагрева всей подложки). Как следствие, пленка формируется на наноразмерном уровне, при этом, как показали предварительные измерения шероховатости, среднеквадратичный разброс по высоте нанокластеров находится на уровне нескольких атомных слоёв при размере нанокластеров в плоскости плёнки порядка десятка нанометров. Отсюда и соответствующие характеристики по плотности, электропроводности и составу получаемых покрытий, которые близки к табличным значениям для объёмного переплавленного материала.
Конструктивно-технологические решения по построению гибридно-плазменного реактора (ГПР) с использованием магнитоактивированных плазменно-распылительных (дуговых и магнетронных) и геликонных источников должны, ориентированных таким образом, чтобы обеспечивать одновременное воздействие на тестовую подложку потоков газовой плазмы и плазмы исходного материала и при совместной работе источники должны обеспечить:
- неоднородность многокомпонентного функционального покрытия на тестовой подложке диаметром 100 мм не более ± 5 %;
- скорость формирования многокомпонентных функциональных покрытий при их синтезе из нескольких компонент и из многокомпонентного расходного электрода на тестовой подложке диаметром 100 мм не менее 0,5 - 1 мкм/мин.

3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
В результате выполненных исследований новой гибридной разрядно-плазменной системы в составе геликонного и магнитоактивированных распылительных источников будет получена научная информация о явлении возбуждения вторичного геликонного разряда на удалении от возбуждающей антенны в зоне подложкодержателя; также будет исследовано и получена информация о механизме обнаруженного явления синэргизма при взаимодействии газовой плазмы геликонного источника и потока металлической плазмы из вакуумно-дугового источника.
Полученные результаты будут использованы для оптимизации параметров геликонного и вакуумно-дугового источников, входящих в состав реакционной камеры лабораторного образца технологической установки, отработки технологических режимов формирования функциональных слоёв и защитных покрытий с заданными физико-техническими характеристиками и разработки ТЗ на ОКР и ОТР.

4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Новизна, достоверность и мировой уровень предложенных методов решения поставленных задач подтверждается сведениями, изложенными в ряде публикаций, а также патентами на изобретения (табл.4), авторами которых являются сотрудники организации-исполнителя настоящего проекта, а также учёные мирового уровня:
1)А.Шпак и др., 2009. – Плазменный источник низкотемпературного формированиянанокластеров металла-катализатора. – Наноиндустрия, №4, с.12-15.
2) И.Короташ и др., 2010. – Установка для формирования наноструктур. – Наноиндустрия, №4, с.14-18.
3)В.Одиноков и др., 2010. – Вакуумно-технологическое оборудование с магнитоактивированными ионно-плазменными реакторами. – Наноиндустрия, №6, с.10-12.
4)В.Семенюк и др., 2011. – Унифицированное технологическое ионно-плазменное оборудование формирования наноструктур. – Металлофизика и новейшие технологии, т.33, №2, с.223-231.
5)Г. Павлов и др., 2009. - Эмиссионная электроника на основе нано-(микро) структурированных углеродных материалов. Наноиндустрия, №4, стр.4-10; №5, стр. 12-20.
6) В. Сологуб и др. 2011. - Формирование углеродных наноструктур в едином технологическом цикле. Наноиндустрия, №1, стр.10-14.
7) В.Одиноков и др., 2010. - Малогабаритное оборудование для изучения и реализации инновационных технологических процессов. Ежегодник «НаноРоссия 2010», стр.47-48.
8) Патент: RU2482216, заявка 201111235 от 17.12.2010 (ОАО НИИТМ).
9) Патент: RU2483501, заявка 2010151535 от 30.07.2010 (ОАО НИИТМ).
10)О.Колесник и др., 2012, Наноструктурированные многокомпонентные покрытия на термолабильных материалах,
Научно-технический журнал “Наноиндустрия”№ 1 / 2012, стр. 28–30.
URL - http://www.nanoindustry.su/journal/article/3103
11) И.Короташ и др. Высокоэффективный источник низкотемпературного нанесения пленок и покрытий, Научно-технический журнал
“Наноиндустрия”№ 2 / 2010, стр. 4–6.
URL - http://www.nanoindustry.su/journal/article/1765
12)В.Семенюк и др., 2011. – Унифицированное технологическое ионно-плазменное оборудование формирования наноструктур. – Металлофизика и новейшие технологии, т.33, №2, с.223-231.
Импакт-фактор: 0.108, Индекс SJR: 0.112, Индекс Хирша: 8
13)A.Caillard, - Integrated plasma synthesis of efficient catalytic nanostructures for fuel cell electrodes, Nanotechnology (UK), v. 18 (2007) 305603, p. 1 – 9 .
Импакт-фактор: 3.652, Индекс SJR: 3.838
URL - http://iopscience.iop.org/0957-4484/18/30/305603
DOI - 10.1088/0957-4484/18/30/305603
14)Norihiro Sincoi - Enhancement of electron field emission from carbon nanofiber bundles separately grown on Ni catalyst in Ni–Cr alloy, Carbon, v. 47 (2009), p. 1258-1263,
Импакт-фактор: 5.868, Индекс SJR: 5.728
URL - http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622309000074
DOI - http://dx.doi.org/10.1016/j.carbon.2008.12.050
15)G.Sato - Production and application of reactive plasmas using helicon-wave discharge in very low magnetic fields, Thin Solid Films, v.506-507 (2006), p. 550-554,.
Импакт-фактор: 1.604, Индекс SJR: 2.049
URL - http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0040609005012599
DOI - http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2005.08.049
16) V.V. Khvostov, 2014, Secondary particle emission from semiconductor crystals, Vacuum, v.100 (2014), p. 84-86
Импакт-фактор: 1.530, Индекс SJR: 1.037
URL - http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042207X13002261
DOI - http://dx.doi.org/10.1016/j.vacuum.2013.07.009

5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
После завершения данной ПНИ совместно с индустриальным партнёром предполагается проведение ОТР и ОКР по разработке технологии и оборудования для формирования технологических слоёв приборов силовой электроники.
Кроме этого, с привлечением других специализированных предприятий планируется реализация комплексного проекта полного цикла, включая изготовления Li-ion тонкоплёночных аккумуляторов на основе вакуумно-плазменной технологии нанесения твердотельных слоёв электрохимической аккумуляторной системы, с последующим освоением серийного производства аккумуляторов малой мощности широкого назначения. Дата создания серийного производства – 2017 год.
Необходимо подчеркнуть, что опробированные к настоящему времени вакуумно-плазменные, например магнетронные, способы получения многокомпонентных покрытий, таких как тонкоплёночные аккумуляторные структуры, может и позволят реализовать последние на уровне опытного производства, но в принципе не подходят для создания серийного производства, поскольку обладают низкой (до 1 мкм/мин) скоростью нанесения. Вместе с тем, современная технология «roll to roll» должна отталкиваться от производительности 10 мкм/мин и выше при ширине ленты 300-500 мм и коэффициенте использования дорогого распыляемого катодного материала на уровне 70 %, что недостижимо при использовании магнетронных источников плазмы.
Предлагаемый в данном проекте подход с использованием гибридной разрядно-плазменной системы на основе геликонного источника и магнитоактивированного плазменно-дугового ускорителя решает поставленную задачу. Только одна установка, созданная на предложенном принципе при габаритах не более 1х1,5х2 м способна обеспечить годовую производительность аккумуляторных структур по энергоёмкости до уровня 1 МВтхчас.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или планируемая на их основе инновационная продукция).
Результаты проводимых исследований направлены на повышение эффективности технологии изготовления и функциональных свойств материалов, определяющих технические характеристики перспективных промышленных изделий, таких как:
- антикоррозионные покрытия на стальной листовой прокат на основе нержавеющей хромоникелевой стали;
- изолирующие плёнки высоковольтных приборов изделий силовой электроники;
- плёнки для анодов литий-ионных аккумуляторов повышенной емкости на основе аморфного кремния, легированного алюминием;
- плёнки для катодов и твёрдых электролитов твердотельных тонкоплёночных аккумуляторов.


2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования;
Характерис-тики Перспективы дальнейшего использования результатов ПНИ – создание тонкоплёночных аккумуляторов на гибких подложках малой мощности различного назначения
Конструкция Бескорпусные
однослойные гибкие Бескорпусные многослойные гибкие
Корпусированные многослойные
Сфера применения Одноразовые бесконтактные радиометки дальностью до 10м Идентификационные
метки дальностью до 100м.
Вживляемые медицинские изделия Специальная электроника.

Рынок Электронные билеты
на стадионы и массовые мероприятия. Системы неразрушающего контроля крупно-габаритных металло-конструкций (мосты,опоры линий электропередач и пр.) Смарт-карты, автомобильный и
жел. дорожный транспорт, контейнеры, товарная продукция,
искусственное сердце,
Кардио-нейро -стимуляторы. Нашлемные системы, радиостанции,
умные снаряды и пули.
Номинальная ёмкость 1 – 5 мАч 20 – 100 мАч 100 - 1500 мАч
Площадь ячейки 1 - 5 кв.см 5 - 20 кв.см 10 - 20 кв.см
Толщина аккумулятора 0,03 мм 0,5 – 1,0 мм 1 – 4 мм
Ресурс - Менее 10% потери ёмкости за 800 циклов при 20 град. За 1000 циклов
Стоимость 3 – 10 руб. 2 – 50 руб. 50 – 200 руб.


3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Ожидаемые социально-экономические эффекты от применения новых технологических процессов формирования многокомпонентных покрытий сложного стехиометрического состава (на примере замены гальванотехнических методов модификации поверхностей – направление «Антигальваника» ):
- повышение производительности труда и улучшения его условий;
- использование экологически чистых технологических процессов;
- сокращение отходов производства;
- снижение энергоемкости и материалоёмкости производства.

Текущие результаты проекта:
На первом этапе ПНИ (Выбор направлений, проведение теоретических, экспериментальных исследований и технологических работ.) в соответствие с план-графиком исполнения обязательств выполнены следующие работы:
1. Проведён аналитический обзор информационных источников.
2. Проведены патентные исследований по способам возбуждения плазменного разряда и конструктивным решениям плазменных источников и составлен отчёт о патентных исследованиях по ГОСТ Р 15.011-96.
3. Осуществлён выбор и обоснованы направления дальнейших исследований по второму и последующих этапах.
4. Проведено теоретическое моделирование структуры магнитных полей в плазменной зоне, выбраны и оптимизированы конструкции плазменных источников.
5. Разработана ЭКД и изготовлены экспериментальные образцы геликонного (ГИ) и распылительного ( РИ) плазменных источников.
6. Разработана ЭКД на гибридную плазменную систему (ГПС) и базовый технологический модуль ( БТМ) разрабатываемой вакуумно-плазменной Установки для нанесения покрытий.
7. Подготовлено помещение с соответствующей инфраструктурой для проведения экспериментально-технологических работ.
8. Изготовлен БТМ Установки.