Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии синтеза крупногабаритных алмазных пластин из поликристаллического алмаза газофазного синтеза для создания оптических окон и диэлектрических опор в мощных лампах бегущей волны

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
cvd-алмаз, оптическое окно, алмазные опоры, свч-плазменный синтез алмаза, химико-механическая полировка, лазерная резка, теплопроводность, тангенс угла потерьб анализ свойств

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Разработка методов выращивания в СВЧ плазме, обработки и анализа оптических и теплофизических свойств поликристаллических алмазных пластин большого размера (50-100 мм) с высокой прозрачностью и теплопроводностью. 2. Формулировка цели реализуемого проекта. Получение крупногабаритных алмазных пластин высокого качества для использования в мощных источниках излучения миллиметрового диапазона длин волн, в том числе в лампах бегущей волны (ЛБВ).

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
Разработаны методы и режимы осаждения поликристаллических алмазных пластин диаметром до 75 мм в СВЧ плазме в реакторе на частоте 2.45 ГГц.
Получены алмазные пластины с высокой прозрачностью и теплопроводностью.
Исследованы методы обработки алмазных пластин механической и механо-химической полировкой.
Разработаны методы измерения теплопроводности пластин лазерным флэш-методом и тангенса угла потерь.
Исследовано влияние высоко-температурного вакуумного отжига на оптические свойства алмазных пластин.
Разработаны методы лазерной резки пластин, их отжига, и изготовлены экспериментальные образцы диэлектрических опор для ЛБВ в количестве.
Запланированные результаты с участием иностранного партнера:
- разработаны технологии выращивания поликристаллических алмазных пластин диаметром до 100 мм и толщиной не менее 1,0 мм в СВЧ-плазмохимическом реакторе DT1800, работающем на частоте 915 МГц.
- разработан метода химико-механической полировки алмазных пластин.
- исследованы полученные образцы алмазного материала с современными аналитическими методами.
- испытаны экспериментальные образцы алмазных опор для ЛБВ и окон.

2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.
Разработанные методы выращивания в СВЧ плазме и обработки поликристаллических алмазных пластин должны обеспечивать следующие характеристики:
- диаметр пластин не менее 75 мм, толщина не менее 1,0 мм;
- теплопроводность пластин не менее 1800 Вт/мК при комнатной температуре;
- тангенс угла потерь не более 8х10-4 на частоте 30 ГГц;
- температура вакуумного отжига алмазных пластин и изготовленных из них опор не менее 1100°С;
- шероховатость полированных поверхностей не более 150 нм;
- размеры опорных стержней из алмаза: длина не менее 75 мм, сечение не менее 1,0×0,3 мм для ЛБВ.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.
Конечный продукт – высококачественные алмазные пластины большого диаметра (и соответствующие технологии), прочные алмазные диэлектрические опоры с высокой теплопроводностью и высокой прозрачностью для СВЧ излучения, для использования их в конструкциях спиральных ЛБВ с целью повышения их выходной мощности и надежности.
2. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
Технологические решения в методе полировки поликристаллического алмаза механохимическим способом обладают элементами новизны по отношению к традиционной чисто механической полировке и имеют преимущество в скорости обработки. Разработан оригинальный метод определения тангенса угла потерь в алмазных (диэлектрических) материалах специальной формы (в виде стержней малого сечения).
3. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Технология синтеза алмаза, разработанный метод измерения поглощения СВЧ излучения в алмазном материале, достигнутые уровни шероховатости полированных поверхностей и величины теплопроводности пластин соответствуют мировому уровню.
4. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Серьезных рисков не просматривается.

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 результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
Разработанные алмазные технологии могут быть использованы для создания мощных генераторов и усилителей волн миллиметрового диапазона, компактных ламп бегущей волны для космических и наземных систем связи, радаров высокого разрешения.
2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Прогнозируется, что в перспективе значительная часть спиральных ЛБВ будет производиться с алмазными компонентами взамен традиционных диэлектриков, таких как оксид бериллия, теплопроводность которых на порядок ниже теплопроводности алмаза.
3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Благодаря сочетанию высоких оптических и теплофизических свойств обработанные крупногабаритные алмазные пластины найдут свое применение не только в генераторах СВЧ излучения, но и в качестве материала для окон мощных лазеров ИК диапазона, теплоотводов для приборов СВЧ электроники, что позволит существенно повысить технические характеристики соответствующих устройств. Метод получения поликристаллического алмаза высокотехнологичен, технология не материалоемка, обладает высоким уровнем автоматизации производства. Источники СВЧ излучения с алмазными компонентами будут иметь повышенные мощность и надежность. Имеются хорошие возможности импортозамещения при развитии производства CVD алмаза в России.
4. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Планируемые результаты активизируют развитие исследований в рамках международного сотрудничества с Индией в области разработки новых материалов и их обработки, создания высокотехнологичных продуктов на их основе. Представление совместных результатов на международных конференциях будет вкладом в популяризацию науки.

Текущие результаты проекта:
1. Разработан технологический процесс получения поликристаллических алмазных пластин высокого качества в СВЧ плазме (частота 2,45 ГГц) на подложках из кремния в смесях метан-водород. Получены образцы пластин оптического качества диаметром до 65 мм. С помощью разработанных лабораторных методики измерены температурные зависимости теплопроводности алмазных пластин лазерным флэш-методом (при комнатной температуре достигнута высокая теплопроводность, до 2050 Вт/мК) и тангенс угла потерь в резонаторе отражательного типа (получено минимальное значение tg δ ≈ 10-3 на частоте 27 ГГц). Продемонстрирована возможность механической полировки пластин до шероховатости около 7 нм.
2. С использованием комплекса современных материаловедческих методик получены экспериментальные данные о структуре алмазных пластин, текстуре, примесях азота и водорода.
3. Лазерной резкой получены образцы опор (стержней) прямоугольного и квадратного сечения.
4. Силами зарубежного Партнера разработан технологический процесс получения прозрачных поликристаллических алмазных пластин в СВЧ плазме на частоте 915 МГц диаметром до 100 мм и теплопроводностью до 1900 Вт/мК. Исследованы процессы механо-химической полировки пластин диаметром до 75 мм.