Высокая чистота
Уникальность ИХВВ РАН в том, что полученные научные результаты доводятся до внедрения в самом институте, рассказывает его директор, д. х. н. Андрей Дмитриевич БУЛАНОВ
— Андрей Дмитриевич, институт химии высокочистых веществ был основан 30 лет назад по инициативе академика АН СССР Григория Григорьевича Девятых, но исследования в области высокочистых веществ были начаты им задолго до 1988 года. С чем связано создание специального института, занимающегося этой тематикой?
— В тот период возникла необходимость в модернизации технического парка страны, происходило развитие микро- и оптоэлектроники, электронной техники, силовой и волоконной оптики, ядерных технологий и космической техники, росло производство полупроводниковых материалов, и каждая из этих отраслей испытывала потребность в разнообразных высокочистых веществах и материалах на их основе. Поэтому по предложению Григория Григорьевича Девятых в нашем городе на базе отдела веществ особой чистоты и летучих соединений металлов института химии АН СССР и был организован институт химии высокочистых веществ, получивший позднее имя его основателя и первого директора. В настоящее время это единственный в России институт, занимающийся такой тематикой.
— Какое вещество считается высокочистым?
— Высокочистое вещество — это простое или сложное вещество с предельно низким содержанием примесей. Вещество считается высокочистым при содержании суммы примесей около 10–4 ат. %, а отдельных примесей 10–6 — 10–7 ат. % и ниже. Чем меньше примесей, тем чище вещество. Различают степень чистоты по отдельным примесям и по сумме всех примесей. Любая примесь прямо или косвенно влияет на свойства вещества, и снижение содержания примесей может отчетливо выявить собственные свойства вещества. Для некоторых свойств установлена необычайно высокая примесная чувствительность. Так, электрофизические параметры полупроводников, оптические свойства диэлектриков «чувствуют» отдельные примеси на уровне 10–8 — 10–10 ат. %.
Я занимаюсь моноизотопными веществами, это еще более глубокое понятие уровня чистоты. Если чистые вещества содержат примеси других химических элементов из периодической системы Менделеева, то моноизотопный элемент представлен в природе только одним изотопом. И даже изотопы одного и того же вещества отличаются по своим свойствам.
— Высокочистые вещества встречаются в природе или они все синтезированы?
— В природе почти нет высокочистых веществ как таковых. Даже самородные золото и сера содержат близкие по свойствам вещества из периодической системы. В самых чистых природных веществах (вода, горный хрусталь, алмаз) содержание примесей около 0,1 — 0,01 %. Получение высокочистого вещества является многостадийным процессом, в котором число и набор стадий определяются природой вещества, содержанием в нем примесей и требуемой степенью чистоты. В основе химических, дистилляционных, кристаллизационных, электрохимических и других методов очистки лежат методы разделения, основанные на различии свойств основного вещества и примеси. Таким образом, очистка любого вещества от примесей изменяет его свойства, и ученые могут получить фундаментальную информацию о свойствах этого вещества. В основном удаление примесей улучшает свойства вещества.
— Каковы основные направления деятельности института и какое из них самое актуальное?
— Основных направлений деятельности института шесть:
• развитие научных основ процессов разделения смесей и получения высокочистых веществ;
• разработка методов глубокой очистки веществ различных химических классов;
• развитие методов анализа высокочистых веществ;
• получение, анализ и исследование свойств высокочистых веществ, в том числе моноизотопных; создание новых материалов на основе высокочистых веществ;
• разработка научных основ технологии высокочистых веществ и материалов, функциональных устройств из них.
Все они актуальны в равной степени и дают новые возможности в создании более эффективных технологических процессов, более чистых и структурно совершенных материалов для различных отраслей. Все эти направления были заложены академиком Девятых и все развиваются в наши дни с учетом новых научных и прикладных задач. Большинство исследований выполняются на стыке химии и физики. Именно физики определяют области применения новых высокочистых веществ и материалов на их основе. Иными словами: мы вынуждены сами искать применение своей продукции. Отмечу, что наши разработки неоднократно отмечались медалями и дипломами Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед».
— Институт занимается не только фундаментальными исследованиями, но и прикладными разработками. Как удается совмещать эти два направления работы?
— Есть запросы на вещества, которые мы получаем, и результаты фундаментальных исследований институт сопровождает разработками технологий получения высокочистых веществ, материалов на их основе и изделий из этих материалов, а также выпуском опытных партий этих продуктов для российских и зарубежных потребителей. Мы вынуждены зарабатывать деньги, потому что бюджетного финансирования нам, как институту второй категории, недостаточно. В 2020 году пройдет аттестация научных институтов РАН, и есть надежда на переход в первую категорию и получение бюджетного финансирования на свои нужды, в том числе на капремонт и новое оборудование. Средств, получаемых нами от хоздоговоров и грантов, хватает лишь на поддержание инфраструктуры.
— Каким образом строится работа с предприятиями реального сектора экономики?
— Институт изготавливает высокочистые вещества и материалы с требуемым примесным составом, участвуя в выполнении хоздоговоров и контрактов с российскими и зарубежными компаниями. Мы поставляем потребителям кварцевые и халькогенидные волоконные световоды, оптические элементы из селенида цинка, некоторые исходные высокочистые вещества.
В силу специфики научной тематики институт имеет пилотные технологии ряда важных высокочистых веществ: волоконных световодов из кварцевого стекла с высоким уровнем легирования оксидами германия, фосфора, редкоземельных элементов; оптических элементов на основе поликристаллических халькогенидов цинка для силовой ИК-оптики; высокочистых летучих гидридов и хлоридов для полупроводниковой техники и волоконной оптики; MOCVD-технологию монокристаллических пленок твердых растворов CdHgTe (КРТ) для фотоприемников. Институт имеет ряд разработок с высокой степенью готовности для практической реализации через инновационные проекты.
Высокотехнологичная продукция, получаемая в виде опытных партий, включает высокочистые монокристаллы моноизотопных разновидностей кремния и германия; высокочистые летучие галогениды для волоконной оптики; высокочистые летучие неорганические гидриды для микро- и оптоэлектроники; высокочистые вещества и материалы (селен, оксид селена, моносульфид мышьяка, сера); оптические элементы из высокочистого селенида (CVD-ZnSe) и сульфида (CVD-ZnS) цинка; волоконные световоды на основе высокочистого кварцевого стекла; высокочистые халькогенидные стекла; волоконные световоды из высокочистых халькогенидных стекол с малыми оптическими потерями в ИК-диапазоне; высокочистые теллуритные стекла с улучшенными характеристиками; высокочистые эпитаксиальные слои твердых растворов CdHgTe для изготовления ИК-фотодиодных линеек и матриц; прозрачная керамика алюмомагниевой шпинели; активные среды для лазеров среднего ИК-диапазона.
На основе разработок ИХВВ РАН компания «НН ОПТИКА» изготавливает заготовки и оптические элементы из селенида цинка и поставляет их заказчикам. Планируется расширить перечень выпускаемых высокочистых материалов и изделий за счет включения в него моноизотопных веществ, некоторых новых видов световодов и оптических элементов для волоконной и силовой оптики.
— Какой прикладной проект может стать приоритетным на ближайшие годы?
— Наш институт готов к участию в проекте, реализуемом в Республике Мордовия. Дело в том, что в Саранске в 2015 году начал работу первый и единственный в России завод по производству оптоволокна, но он пока работает на импортных заготовках, и идет речь о строительстве второго пускового комплекса, ориентированного на выпуск собственного сырья. Этот проект стратегически важен не только для Мордовии, но и России в целом, так как позволит снять зависимость от импорта и наладить в стране замкнутый цикл производства оптоволокна. Особая роль в проекте принадлежит технопарку в сфере высоких технологий «Технопарк — Мордовия», в структуру которого входит Инжиниринговый центр волоконной оптики. И реализация проекта предусматривает внедрение технологии получения новых типов световодов для волоконных лазеров, разработанных в Научном центре волоконной оптики РАН и ИХВВ РАН. Поясню, что оптоволокно — это нить из оптически прозрачного материала для передачи света на расстояние. В качестве оптически прозрачного материала чаще всего выступает кварцевое стекло. Информация передается внутри нити световыми импульсами благодаря эффекту полного внутреннего отражения.
Большие надежды мы связываем с участием в работе нижегородского Научно-образовательного центра мирового уровня «Техноплатформа-2035», создающегося в рамках нацпроекта «Наука». Недавно губернатор Глеб Никитин провел совещание по вопросу деятельности этого НОЦ и отметил, что региональными предприятиями подано 140 заявок на проекты, которые возможно реализовать в НОЦ. Потребителями нашей продукции — совершенно новых и дорогостоящих чистых веществ и материалов — являются в большинстве своем зарубежные компании, в том числе из Франции, Германии, Китая, Австралии, Канады. Мы обозначили свои возможности в НОЦ, подали соответствующие предложения и надеемся, что присутствие в НОЦ поможет нам реализовать свою продукцию внутри страны.
— Каковы основные области применения материалов на основе высокочистых веществ?
— Из высокочистых веществ производят полупроводниковые и оптические материалы, материалы для микро- и оптоэлектроники, электронной техники, ядерных технологий, силовой оптики и электроники, волоконной оптики. Число материалов на основе высокочистых и особо чистых веществ превышает 2000 наименований и имеет тенденцию к росту.
Самая частая сфера использования — телекоммуникации. Так, высокая прозрачность волокон из кварцевого стекла с содержанием лимитируемых примесей, влияние которых на свойство особенно велико, ниже 10–6 — 10–7 % обеспечивает передачу световых импульсов на большие расстояния в современных линиях волоконнооптической связи. Оптическая связь сегодня является одним из основных способов передачи информации, и оптические линии связи успешно конкурируют с традиционными медными линиями и беспроводными технологиями. Именно благодаря оптоволокну произошло резкое увеличение объема и скорости передаваемой информации и, в частности, развитие интернета. Оптоволокно используется как для создания телекоммуникационных магистралей, так и для подключения обычных домашних компьютеров к сети. Так что возможности применения оптоволокна безграничны, и в наши дни оно осваивает новые сферы: оборонно-промышленный и топливно-энергетический комплексы, атомную энергетику, высокотехнологичную медицину.
Также оптоволокно нужно при создании датчиков, которые позволяют измерять почти все — давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения.
— В 2018 году ИХВВ РАН отметил 30-летие своего создания. Расскажите о важнейших достижениях института в юбилейный год
— Научные исследования проводились по закрепленным за институтом направлениям. Выполнялись 16 научных тем в рамках госзадания, две темы по программам Президиума РАН. Коллектив участвовал в выполнении шести проектов РНФ и девяти проектов РФФИ, двух международных проектов, 15 договоров с российскими и пять контрактов с зарубежными заказчиками. Совместные исследования в рамках большинства тем плана НИР выполнялись с 11 институтами РАН, 11 вузами и девятью отраслевыми российскими организациями. Кроме того, институт участвовал в совместных проектах с партнерами из Кореи, Германии, Франции, Италии, Чехии, Хорватии и Китая.
Среди научных результатов следует выделить получение 28SiH4 для создания элементов квантового компьютера; разработку методики выращивания монокристаллов ZnS и ZnSe высокого оптического качества, легированных Fe+2 и Cr+2, с использованием твердофазной рекристаллизации и высокотемпературной диффузии при баротермическом воздействии; разработку MCVD-метода изготовления многослойных брегговских световодов на основе высокочистого кварцевого стекла; получение теллуритных стекол, легированных ионами РЗЭ, и световодов на их основе (эта работа проведена совместно с тремя институтами РАН).
Из важнейших прикладных результатов отмечу получение магнитооптической керамики на основе оксидов гольмия и диспрозия. Нами разработаны методики синтеза нанопорошков оксидов гольмия и диспрозия со спекающими добавками оксидов иттрия, лантана, циркония; получены образцы керамик на основе оксидов гольмия и диспрозия высокого оптического качества; разработаны метод изготовления кварцевых волоконных световодов, легированных оксидом висмута и оксидами редкоземельных элементов, и методы изготовления световодов из сульфидно-мышьяковых и сульфидно-селенидных стекол с улучшенными оптическими и механическими характеристиками.
В лабораториях разработаны и переданы для практической реализации методики АЭС-ИСП определения матричных, легирующих и примесных компонентов в алюмоцинковой шпинели и прекурсорах; методика анализа β-дикетонатов редкоземельных элементов методом ИСП-МС высокого разрешения; методика элементного и изотопного анализа пентакарбонила железа; методика хромато-масс-спектрометрического определения молекулярного состава углеродсодержащих примесей в мышьяке и селене особой чистоты. В АО «НПП «Салют» внедрена методика определения содержания примесей в высокочистом металлическом мышьяке; на этом предприятии в технологию получения высокочистого мышьяка и его соединений внедрена методика количественного определения примесей в высокочистом арсине методом хромато-масс-спектрометрии и методика анализа мышьяка на содержание углерода методом ИК-спектроскопии.
В лаборатории аналитической химии высокочистых веществ атомно-спектральными методами проведен анализ пяти проб экспонатов выставки-коллекции веществ особой чистоты и 128 образцов веществ и материалов. Методами газовой хроматографии и хромато-масс-спектрометрии проанализировано 72 образца для наших лабораторий и 64 образца для сторонних заказчиков. Методом лазерной ультрамикроскопии выполнен анализ 20 образцов халькогенидных стекол для лабораторий ИХВВ.
Среди результатов НИР отмечу изготовление и поставки потребителям следующих высокочистых веществ и материалов:
- поликристаллов высокочистого моноизотопного 28Si и 29Si;
- образцов высокочистых 28SiH4, 29SiH4, 30SiH4, 74GeH4, 76GeH4;
- волоконных световодов с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного оксидами редкоземельных элементов (Er-Yb, Tm и Tm-Yb) и оксидом висмута;
- волоконных световодов на основе кварцевого стекла, легированного иттербием;
- световодов из сульфидно-мышьяковых и сульфидно-селенидных стекол;
- стекол As2Se3; световодов из стекол систем As-S, Ge-Se, Ge-Sb-S, Ge-As-Se-Te для исследования сенсорных свойств и создания микрорезонаторов; образцов активированных стекол систем Ga-Ge-As-Se-Pr и Ga-Ge-As-Se-Dy;
- высокочистого оксихлорида фосфора;
- фреона-113;
- изготовлена и передана для исследования лазерных характеристик опытная партия образцов ZnSe:Fe2+ и ZnS:Fe2+.
— Какое число высокочистых веществ известно науке на настоящий момент?
— На базе ИХВВ РАН реализован уникальный научный проект по созданию постоянно действующей выставки-коллекции веществ особой чистоты. Она создана в 1974 году решением Президиума АН СССР при Отделении физикохимии и технологии неорганических материалов АН СССР на базе Института химии АН СССР и входит в структуру Научного совета РАН по химии высокочистых веществ, являясь научным подразделением нашего института. Эта выставка-коллекция не имеет отечественных и мировых аналогов по охвату материала и полноте данных о степени чистоты и примесному составу простых веществ.
Сейчас на выставке-коллекции хранится более 700 образцов высокочистых веществ, полученных из десятков научно-исследовательских и промышленных предприятий России и зарубежья. Простые вещества представлены 400 образцами 76 элементов и ряда моноизотопных разновидностей. Летучие вещества — 190 образцами 84 соединений (хлориды, бромиды, фториды, гидриды, металлоорганические соединения, постоянные газы). Представлены также твердые вещества, имеющие важное практическое применение: оксиды, галиды, стекла. Коллекция высокочистых оптических материалов включает наиболее чистые образцы, полученные из высокочистых исходных материалов.
Работа выставки-коллекции направлена на решение фундаментальной проблемы химии высокочистых веществ — исследование их полного примесного состава как одной из фундаментальных характеристик вещества, изучение мировых тенденций повышения уровня чистоты веществ. Инструментом исследования является созданная на выставке-коллекции информационно-расчетная система «Высокочистые вещества и материалы», содержащая свыше 50000 результатов анализа отдельных примесей в высокочистых веществах.
