Такой материал крайне востребован в микро- и наноэлектронике с минимальным энергопотреблением

Российская научная группа из Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и Уральского федерального университета (Екатеринбург) с коллегами из Казахстана и Азербайджана создала на основе диоксида циркония образцы крошечных конденсаторов с огромной емкостью. Они работают при сверхнизком напряжении, на новых физических принципах и подходят для сверхэкономичной электроники и микросистем. Другие важные преимущества новых систем — биосовместимость, высокая технологичность и относительно низкая стоимость изделий, поясняют ученые. Описание разработки исследователи опубликовали в Advanced Journal of Chemistry.

«Сегодня твердотельные ионные конденсаторы пользуются огромным спросом во всем мире. Они крайне востребованы в микро- и наноэлектронике с минимальным энергопотреблением. В частности, они перспективны для использования в компьютерах с субвольтовыми процессорами, смартфонах, датчиках газов, FRID-системах, бытовой и медицинской технике, аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и других отраслях», — подчеркивает руководитель лаборатории «Гибридные технологии и метаматериалы» УрФУ (создана по программе Минобрнауки России «Приоритет-2030») Анатолий Зацепин.

Наноматериалы на основе диоксида циркония обладают признаками smart-материалов и «сложных» физических систем, добавляют физики. Они перспективны для дальнейших исследований и разработки практических приложений электроники, сенсорики и энергетики.

«Наша команда обладает достаточными техническими возможностями и компетенциями для создания таких материалов. В настоящий момент совместно с коллегами из Узбекистана и Казахстана с использованием размерных эффектов на основе стабилизированных оксидных циркониевых систем идет разработка элементов перспективной неполупроводниковой, так называемой гомогенной, электроники, способной работать в условиях сильных нейтронных полей и высоких температур», — говорит руководитель сектора ядерно-физического материаловедения и ионно-имплантационных нанотехнологий ОИЯИ Александр Дорошкевич.

Наноионные конденсаторы на основе оксидных нанопорошков обладают высокой удельной емкостью, то есть позволяют получить максимально возможную емкость при минимальных габаритах и весе, добавляют ученые. Над созданием таких конденсаторов и улучшением их свойств работают технологи во всем мире, которые решают задачу повышения удельной емкости и снижения размеров фильтрующих конденсаторов. Эти характеристики необходимы для устойчивой работы современной электроники и микросистемной техники, предполагающих снижение рабочих напряжений и повышение операционных частот на фоне увеличивающихся уровней электромагнитных помех.

«Одной из главных проблем, с которой сталкиваются разработчики — эффект “туннельных токов утечки”. При уменьшении расстояния между обкладками классических конденсаторов ниже определенного предела начинается туннельный пробой и потеря работоспособности прибора. Проблему можно частично решить с помощью дорогостоящих технологий кристаллического дизайна с использованием новых материалов, но полностью “победить” физику и природу таким путем не удавалось», — поясняет Анатолий Зацепин.

Российские ученые разработали новую концепцию, с помощью которой удалось решить проблему туннельного пробоя. В качестве основы новых устройств они использовали родственное физическое явление — туннельный эффект локализации электронов вблизи заряженной поверхности ионного диэлектрика.

«Слой локализованных электронов в приповерхностной области наночастиц (область пространственного заряда) образует обобщенную пространственно-распределенную виртуальную обкладку с электронным типом проводимости, а ионы электролита на поверхности наночастиц — обкладку с ионным типом проводимости. Поверхность наночастиц является физическим разделителем разноименных зарядов. Обе обкладки такого конденсатора связаны между собой электрически емкостной связью», — описывает суть работы Александр Дорошкевич.

Фактически ученые «перевернули» обычный суперконденсатор, в котором электрод делают из углерода, хорошо проводящего ток. Углерод заменили на диэлектрик — материал, который обычно ток не пропускает. Но в новой конструкции диэлектрик начал проводить ток за счет квантового эффекта: когда к нему притягиваются ионы электролита и при смене напряжения внешним полем.

В итоге получили нанопорошок с особой структурой. За счет того, что поверхность частиц гораздо больше, чем у обычного твердого тела, порошок получился крайне чувствительный — может «почувствовать» даже отдельные молекулы, поэтому его также можно рассматривать не только в качестве материала для накопителя энергии, но и в качестве материала для датчиков, добавляют исследователи.

Несмотря на то, что на сегодня созданы только лабораторные образцы, ученые полагают, что работу также можно развивать в направлении бионаноинженерии (из-за биосовместимости наночастиц) и в сфере радиационных и критических технологий. Для этого они будут искать партнеров и дополнительное финансирование.

Справка

В создании и исследовании свойств нового материала приняли участие специалисты Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Карагандинского индустриального университета (Темиртау, Казахстан), Кызылординского университета им. Коркит-Аты (Кызылордина, Казахстан), Государственного университета «Дубна» (Дубна, Россия), Агентства инноваций и цифрового развития (Баку, Азербайджан), Центра исследований низкоразмерных материалов при Хазарском университете (Баку, Азербайджан), Уральского федерального университета (Екатеринбург, Россия) и Института физики твердого тела им. Г. Наджакова Болгарской академии наук (София, Болгария).

Уральский федеральный университет — один из ведущих вузов России, расположен в Екатеринбурге. Участник проекта по созданию кампусов мирового уровня — части национального проекта «Молодежь и дети», реализуемого Минобрнауки России. Университет — участник государственной программы поддержки российских вузов «Приоритет-2030», выступает инициатором создания и выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы».

По материалам: Департамент по связям с общественностью УрФУ

Корпорация ВСМПО-АВИСМА – крупнейший в мире вертикально-интегрированный производитель титановой продукции поставит 150 тонн титановых труб для первой атомной электростанции «Эль-Дабаа» в Арабской Республике Египет.  Титан станет частью энергетической инфраструктуры, которая обеспечит до 10% электропотребления Египта на десятилетия вперёд. Станция возводится Государственной корпорацией по атомной энергии «Росатом» в провинции Матрух на берегу Средиземного моря, примерно в 300 км к северо-западу от Каира. «Эль-Дабаа» станет первой и крупнейшей АЭС на Африканском континенте за последние 40 лет со времени запуска южноафриканской «Куберг».

Для реализации этого проекта ВСМПО-АВИСМА в марте 2026 года запустила серийное производство сварных труб из чистого титана, который относится к мировым стандартам для теплообменного оборудования, работающего в контакте с морской водой. Заказчику будет направлено 150 тонн высокотехнологичных титановых изделий. Выбор материала для прибрежной атомной станции технологически обусловлен: титан применяется в морской, энергетической, химической, нефтегазовой, аэрокосмической отраслях и других сферах, где обычные материалы быстро разрушаются под воздействием агрессивных сред за считанные годы. Это критически важно для проектного срока службы станции – 60 лет с возможностью продления до 100 лет.

Российские титановые изделия будут использоваться в комплексном оборудовании энергоблока № 4 АЭС. После запуска все четыре энергоблока смогут производить 4,8 ГВт энергии. Этого достаточно, чтобы обеспечить примерно 10% всей энергии, которая нужна Египту. Благодаря этому в воздух ежегодно не будет попадать около 14 миллионов тонн углекислого газа от теплоэлектростанций аналогичной мощности, работающих на угле и газе. Это примерно столько же, сколько выбрасывает в атмосферу страна среднего размера в Европе за год.

На пике строительства проект «Эль-Дабаа» создаёт десятки тысяч рабочих мест и формирует целое поколение египетских инженеров-атомщиков. В этой большой международной кооперации участие ВСМПО-АВИСМА обеспечивает ключевой материаловедческий компонент.

Дмитрий Трифонов, генеральный директор ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»: – Поставка такого уровня – для нас это не просто очередной экспортный контракт, а доверие, заработанное десятилетиями безупречной работы наших инженеров и рабочих. За 150 тоннами труб, которые отправятся из Верхней Салды в Арабскую республику, стоит труд тысяч уральских специалистов, их семей и нескольких поколений металлургов, создавших школу российского титана. Для нас важно, что российский титан становится частью объекта, который полвека будет давать чистую энергию египетской экономике и населению. Это и есть та самая большая ответственность бизнеса и гордость для каждого нашего сотрудника, когда продукция твоего завода работает на развитие целой страны и одновременно поддерживает устойчивость промышленного города на Урале. Особенно в наше непростое время.

Партнёрство ВСМПО-АВИСМА и «Росатома» имеет устойчивую историю международных проектов. Ранее Корпорация поставила сварные титановые трубы для энергоблока № 4 АЭС «Аккую» в Турецкой Республике – первой турецкой атомной станции, также возводимой по российскому проекту. Совместные поставки в адрес зарубежных атомных строек вписывают ВСМПО-АВИСМА в число немногих мировых производителей, чья продукция получает допуск к работе в самых ответственных сегментах атомной энергетики.  Реализация таких знаковых проектов, как «Эль-Дабаа» и «Аккую», подтверждает статус ВСМПО-АВИСМА как надёжного промышленного партнёра российской атомной отрасли на ключевых международных рынках.

По материалам: Дирекция по связям с общественностью ПАО «Корпорация ВСМПО-АВИСМА»