Что такое нанопленки
Нанопленки — это ультратонкие, измеряемые нанометрами (нм), высокопрочные, устойчивые к высоким температурам и разным механическим воздействиям слои, нанесенные на основной материал. Нанопленки могут быть твердыми или жидкими (и даже газообразными) и обладают множеством уникальных свойств в области света, магнетизма, механики и других аспектов по сравнению с обычными материалами, поэтому сегодня их возможности — перспективнейшее направление исследований в материаловедении.
Где применяют нанопленки
Например, для «умных» тепловых покрытий — такие материалы используют в энергосберегающих окнах, тепловых экранах, космической технике, где некоторые покрытия должны отражать тепло (инфракрасное излучение), но при этом пропускать видимый свет.
Нужны они и для приборов ночного видения и тепловизоров — в фильтрах для инфракрасных камер, покрытий для датчиков и других элементов систем ночного видения. Нанопленки нужны и в химических или биологических датчиках в сверхчувствительных сенсорах, и в элементах для энергоустройств: фотодетекторах, термофотоэлектрических системах, системах преобразования излучения в энергию.
Почему на наноуровне меняются свойства материалов
Самое интересное, что нанопленки — это, с одной стороны, классическая физика материалов, и, в тоже время, уже квантовая физика: в зависимости от размера частиц разных металлов меняются их свойства. Как? Например, меняется их температура плавления, степень переохлаждения и межплоскостное расстояние в кристаллической решетке. Изучением этих изменений мы и занимаемся в лаборатории квантовой метрологии Института лазерных и плазменных технологий НИЯУ МИФИ.
Возьмем, например, золото. Видимое покрытие золотой пленкой (допустим, обычная позолота на ювелирных изделиях) и маленькая наночастичка золота буду обладать разными свойствами, несмотря на то, что это один и тот же химический элемент. Когда размер объекта уменьшается до нанометров (нанометр, напомню, это одна миллиардная часть метра, 10−9), там работает уже другая физика. У каждого материала — свой порог размера, после которого изменяются его свойства: может быть 15−20 нанометров, а может и 2−3 нанометра. Применением одиночных наночастиц больше занимаются микробиологи и химики, а мы их собираем в пленки, которые могут стать потенциальным покрытием или слоем в какой-то многослойной структуре (детекторах, фотоэлементах и др.).
Если эти частицы, собранные в пленку, продолжают оставаться частицами, не слипаются, не сплавливаются, то эта структура тоже будет иметь отличные от металла в массе свойства: то есть пленка из частиц, скажем, 2 и 8 нанометров будет обладать разными свойствами.
Как ученые создают и изучают нанопленки
Изучение оптических свойств таких пленок — как меняются коэффициенты поглощения, преломления света в зависимости от размера частиц в пленках — работа на будущее, под запрос, чтобы характеристики покрытий можно было заранее настраивать. Эти качества нанопленок востребованы в альтернативной энергетике, например, там, где энергия получается из света. Но не только. Это нужно и для радиоизотопных источников питания, где нейтроны радиоактивных элементов при распаде могут нагревать материал, с которым они сталкиваются с большой энергией. Нагретый материал начинает светиться — собственно, это и есть ядерная батарейка на плутонии238. Которую, кстати, тоже создали в нашей лаборатории квантовой метрологии МИФИ.
Эффективность преобразования света в энергию можно повысить — фотоны летят с некоторой энергией, а материал фотоэлементов (детекторов) может преобразовать лишь ее часть. Чтобы повысить эту эффективность преобразования, фотоэлемент можно покрыть пленкой с заданными свойствами. Если на тигель (это часть источника питания) в ядерной батарейке нанести тугоплавкий метал в виде тонкой нанопленки из тантала, то излучение будет уже другим — максимум энергии излучения может смещаться в сторону больших или меньших длин волн.
Почему именно тантал? В принципе, любые металлы можно использовать для получения таких пленок, зависит от предполагаемого применения. Тантал имеет большую температуру плавления, и даже с уменьшением размера он при больших температурах еще сохраняет тугоплавкость, а наночастицы, например, того же золота уже при температуре немного выше комнатной могут растекаться и сплавляться друг с другом.
Тантал много используется в электронике и оптике. В природе в чистом виде он не встречается, это редкий металл, существующий в виде стабильного изотопа в минералах. Непосредственно я как раз занимаюсь в нашей лаборатории изучением свойств нанопленки из тантала и его оксида (такие пленки этого металла востребованы в оптике и наноэлектронике). А вообще, разные материалы пленок дают разные эффекты,
Как мы это изучаем на практике? Берем «подложку» (материал, на который будет наноситься пленка, обычно это пластинка кремния размером 10×10 мм), в сверхвысоковакуумной камере напыляем на него частицы тантала методом магнетронного распыления. Переносим ее в камеру анализа, где методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии фиксируется качество напыления.
После аттестации образца его возвращают в вакуумную камеру, где он покрывается тонкой защитной пленкой из фторида кальция — она прозрачная, как стекло, но в отличие от стекла, еще и хорошо пропускает инфракрасное излучение. Зачем нужна защитная пленка? Чтобы кластеры (частички металла) при выносе на атмосферу не взаимодействовали с ней, то есть не схватили кислород и не окислились.
А затем главное: мы измеряем спектр пропускания, отражения или поглощения света. Здесь уже начинается оптическая спектроскопия — анализируем оптические характеристики этих нанопленок. В итоге, имея всего лишь один элемент (в моем случае — тантал), мы можем предложить целую линейку возможностей, которую даст нанопленка из него.
По сути, мы создаем некую библиотеку нанопленок с уже известными свойствами — вернее, известными их делаем мы: проводим опыты с разными размерами. Применяться это будет в сложнейших устройствах — все, что было простым и работало хорошо, уже исследовано, сделано и применено в массовом порядке.
Новые сложные покрытия с настраиваемыми характеристиками могут по-разному поглощать, отражать, преломлять свет и соответственно могут применяться в тех оптических устройствах, например, оптических фильтрах, где необходимо регулировать спектр фотонов (либо непосредственно для детектирования, то есть уловления света, либо для его преобразования в энергию). Оптические фильтры используются в разных установках, где исследуют, как преобразовывается свет в электричество. Они понадобятся и в элементах питания, которые в будущем будут работать как в быту, так и в космосе, в тех же нагревательных элементах ядерных батареек.
Ранее Наука Mail писала, что в Бауманке научились останавливать, хранить и отпускать импульсы света.
