Лидером в разработке методов очистки различных веществ и создании новых высокочистых функциональных материалов для фотоники и микроэлектроники в нашей стране по праву является Институт химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых Российской академии наук. Многие выдающиеся открытия в физике и химии XIX–XX веков (радиоактивность, полупроводимость, лазеры, волоконная оптика и другие) связаны именно с достижением высокой степени чистоты веществ, то есть присутствием в материалах исчезающе малых количеств других элементов. Миссия ИХВВ РАН как академического института заключается в проведении фундаментальных исследований на самом высоком мировом уровне и решении актуальных государственных задач в важных областях.
На недавнем заседании Совета по науке и образованию, посвященном реализации стратегических инициатив в научно-технической сфере, состоялся деловой и обстоятельный разговор о месте современной российской науки, ее роли и задачах на ближайшую перспективу. Состоялся обмен мнениями. По итогам заседания будут обобщены все сделанные предложения и подготовлена соответствующая программа действий. Глава государства поручил правительству оказать всю необходимую помощь в ее реализации.
«У России очень хороший фундамент, очень хорошая база для продолжения исследований по всем направлениям, востребованным сегодня, и даже на длительную историческую перспективу. Российская наука всегда тем и отличалась, что мы всегда смотрели в будущее. У нас замечательная школа, и мы будем делать все для ее развития»,
– отметил Президент Владимир Путин.
О технологическом лидерстве нашей страны, задачах по его достижению будет идти речь на Форуме будущих технологий. Ведущие российские и зарубежные ученые, государственные деятели, руководители корпораций и предприниматели, инвесторы и эксперты поговорят о трендах, вызовах и решениях для индустрии новых материалов и химии, рассмотрят передовые научные разработки и инновации. Деловая программа Форума включает вопросы «зеленой химии», киборгизации, биопечати, экологичных удобрений, материалов экстремальных характеристик, интеллектуальных материалов. Также на ФБТ-2025 рассмотрят весь спектр высокотехнологичных отраслей и проектов в области новых материалов и химии, развивающихся в России.
Свою лепту в проведение фундаментальных исследований на самом высоком мировом уровне и решение актуальных государственных задач вносит коллектив Института химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых Российской академии наук.
– Вектор развития научных исследований нашего института был заложен еще в 70–80-х годах XX века его основателем академиком Григорием Григорьевичем Девятых. Его научным интересом были разделение изотопов и летучие неорганические хлориды. Давайте вспомним, что в то время активно развивалась полупроводниковая техника. Поэтому было важно получение кремния, германия, арсенида галлия с низким содержанием примесей (на уровне несколько частей на миллион). Это требовало разработки эффективных способов очистки и анализа этих веществ. Также в то время в мире после открытия лазеров начался бум по развитию волоконной оптики и световодов, сначала на основе кварцевых стекол, а затем на основе халькогенидных и фторидных стекол. Наш институт при поддержке первооткрывателя лазера академика А.М. Прохорова активно включился в эту работу. На основе научного задела по получению высокочистых веществ содержание лимитируемых, то есть вредных примесей в исходных веществах для синтеза стекол, было понижено на 3–4 порядка, были достаточно быстро освоены методики получения стеклянных заготовок и вытяжки световодов, получены световоды с низкими оптическими потерями. На основе произведенных кварцевых световодов были проложены первые в России волоконно-оптические линии связи в Нижнем Новгороде и Зеленограде. Получаемые халькогенидные световоды могли передавать излучение СО- и СО2-лазеров и тестировались для лазерной хирургии и низкотемпературной пирометрии, – говорит Андрей Буланов, директор ИХВВ РАН, член-корреспондент РАН.
В современных материалах для фотоники и микроэлектроники требования по содержанию вредных примесей значительно повысились, их концентрация в ряде веществ не должна превышать несколько частей на миллиард. Получение на основе высокочистых веществ новых функциональных материалов для фотоники и микроэлектроники имеет важное практическое значение. Особенно это становится актуально в последнее время в связи с международными вызовами и ограничениями по импорту зарубежных материалов и оборудования. Поэтому коллектив ИХВВ РАН активно участвует в различных отечественных научно-технологических программах по фотонике и микроэлектронике. В том числе по импортозамещению химических материалов для радиоэлектронной промышленности.
Институт занимается разработкой и получением высокочистых силанаи германа, кремния, германия, в том числемоноизотопных, эпитаксиальных слоев CdHgTе, мышьяка, арсенида галлия, гексафторида вольфрама, карбидов бора и кремния. Производимые материалы поставляются российским и зарубежным заказчикам для проведения научных исследований.
Для синтеза высокочистых оптических материалов в ИХВВ РАН проводятся работы по глубокой очистке исходных веществ и соединений – тетрахлориды кремния и германия, в том числе изопно обогащенные, оксиды теллура и цинка, элементарные халькогены, халькогениды и йодиды металлов и редкоземельных элементов с содержанием примесей ниже 10-6 ат.%.
В научном учреждении ведутся разработки лазерных и оптических материалов на основе халькогенидных и оксидных керамик, отличающихся по составу и назначению. Халькогенидные керамики (халькогениды цинка и кадмия), легированные ионами хрома или железа, являются активными средами для перестраиваемых лазеров инфракрасного диапазона длин волн (2–5 мкм). Необходимо отметить, что наибольший интерес такие лазеры представляют для создания лидаров для дистанционного определения газов в атмосфере и систем специального назначения. Керамика на основе оксидов редкоземельных элементов представляет интерес в качестве магнитооптических и лазерных сред ближнего и среднего ИК-диапазона длин волн, визуализаторов лазерного излучения, сцинтилляторов для современной медицинской техники. Композиты на основе MgO и MgAl2O4 позволяют визуализировать инфракрасное излучение в диапазоне с чувствительностью от 50–100 мВт и стойкостью к разрушению более 100 Вт. Алюмомагниевая и алюмоцинковая шпинели обладают высокой твердостью и химической стойкостью и являются лучшей заменой сапфировых окон для многих применений.
В настоящее время в институте разрабатывают и производят стекла различных составов, в том числе легированные редкоземельными ионами и висмутом. Область применения кварцевых световодов: высокомощные волоконные лазеры диапазона 0,6–1,8 мкм, широкополосные усилители для систем телекоммуникаций, волоконные гироскопы, оптические датчики, системы наведения. В световодах из теллуритного стекла (TeO2-ZnO-La2O3-Na2O-Er2O3) впервые достигнута эффективная лазерная генерация на длине волны ~2,8 мкм со средней мощностью 60 мВт и энергией импульса 1,2 мДж.
Разрабатываемые здесь халькогенидные стекла и световоды на их основе обладают высокой прозрачностью в среднем ИК-диапазоне, что позволяет использовать их в системах ночного видения для создания источников излучения среднего ИК-диапазона и волоконно-оптических спектральных сенсоров для определения химического состава жидкостей, газов и биологических объектов. Уникальные методы очистки позволяют получать образцы стекол предельно высокой степени чистоты (<10-6 ат.%), прозрачных в спектральном диапазоне 1–25 мкм. Минимальные оптические потери в халькогенидных световодах составляют 12–100 дБ/км, что является рекордно низкими значениями в мире. Высокий уровень чистоты халькогенидных стекол, легированных редкоземельными ионами, позволил достичь лазерной генерации в волоконных световодах в спектральном диапазоне 4,5–6 мкм в импульсном и непрерывном режимах с выходной мощностью до 200 мВт. Важно отметить, что эти результаты по лазерной генерации в средней ИК-области достигнуты впервые в мире.
Без сомнения, все разработанные в Институте химии высокочистых веществ имени Г.Г. Девятых Российской академии наук методы очистки веществ находятся на высоком мировом уровне, а иногда его превосходят. Получаемые высокочистые вещества и материалы имеют высокую востребованность для производства элементов фотоники и микроэлектроники. Это и есть значительный вклад всей научной команды института в решение задач по обеспечению технологического лидерства нашей страны.