В Институте сильноточной электроники СО РАН (Томск) успешно завершается выполнение масштабного научного проекта по in situ методам синхротронных исследований многослойных функциональных структур, созданных пучково-плазменной инженерией поверхности. Четырехсотмиллионный грант был получен в 2021 году в рамках Федеральной научно-технической программы по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019—2027 годы.
Для реализации проекта под научным руководством академика Николая Александровича Ратахина в структуре ИСЭ СО РАН был организован Научно-исследовательский центр «Томский центр компетенций в области пучково-плазменной инженерии и синхротронных исследований». Всего в научном проекте задействовано восемь соисполнителей: вузы (Томский государственный университет, Томский политехнический университет и Томский университет систем управления и радиоэлектроники), Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск), Институт электрофизики УрО РАН (Екатеринбург), Уфимский университет науки и технологий и Научно-производственная ассоциация «Технопарк авиационных технологий» (Уфа).
Синхротронное и нейтронное излучение являются наиболее эффективным инструментом изучения широкого класса объектов, от поверхностей и объемных материалов до жидких и биологических сред, на наноразмерном и меньшем уровнях. В отличие от традиционных способов исследований, такие излучения, обладая высокой интенсивностью, позволяют получить информацию за время менее секунды в процессе роста покрытия или модификации поверхности импульсными потоками энергии (так называемый режим in situ), что дает возможность наблюдать процессы синтеза материалов и биологических объектов на новом уровне. С применением синхротронного и нейтронного излучения связывают будущие прорывы в целом ряде областей науки и технологий.
«Главной задачей НИЦ ТЦК стало накопление и распространение компетенций, связанных с использованием синхротронного излучения при проведении научных исследований. Для этого в центре были организованы две лаборатории: лаборатория методов синхротронных исследований (руководитель кандидат технических наук Максим Сергеевич Сыртанов) и лаборатория компонентов и систем для синхротронных исследований (руководитель Сергей Сергеевич Ковальский). На протяжении четырех лет НИЦ ТЦК участвовал в создании уникального научного оборудования и разработке методик проведения синхротронных исследований, а также велась подготовка специалистов, в том числе будущих пользователей исследовательских станций Сибирского кольцевого источника фотонов, установки класса мегасайнс, которая строится в наукограде Кольцово под Новосибирском», — рассказывает заведующий НИЦ ТЦК Антон Дмитриевич Тересов.
Так, в ходе реализации проекта создан лабораторный вакуумный электронно-ионно-плазменный стенд (ВЭИПС-1). Он объединяет в себе возможности нескольких ключевых пучково-плазменных методов синтеза функциональных слоев и покрытий на поверхности конструкционных материалов, а также методы диагностики свойств материалов с использованием синхротронного излучения. Этот стенд отправлен в ИЯФ СО РАН и размещен на шестом канале источника синхротронного излучения ВЭПП-3. Оборудование уже используется для исследования процессов при синтезе многослойных структур в режиме реального времени (in situ) для анализа их качественного и количественного фазового состава. Второй аналогичный стенд ВЭИПС-2 находится в Томске в ИСЭ СО РАН и используется с целью предварительной отладки методик перед экспериментами на синхротронах.
«Дело в том, что обычно процессы, связанные с модификацией поверхностей и напылением покрытий, длятся от десятков минут до нескольких часов. Поэтому раньше исследования, целью которых был выбор оптимальных режимов обработки, были очень длительными. Теперь же время их определения сокращается в разы, поскольку используемая методика in situ синхротронных исследований позволяет оперативно менять условия синтеза структур тут же, отслеживая изменения их фазового состава в режиме реального времени», — поясняет Антон Тересов.
Научные коллективы, входящие в состав исполнителей проекта, уже провели первые успешные эксперименты с использованием ВЭИПС-1. Изучены закономерности влияния условий формирования многослойных и многоэлементных структур на их фазовый состав, нано- и микроструктуру. На стенде проверены нитридные, оксидные, карбидные и боридные покрытия, пленки высокоэнтропийных сплавов, твердотельные литий-ионные проводники, композитные аноды твердооксидных топливных элементов, поверхностные микросплавы на конструкционных и функциональных материалах. Ученым удалось определить структурно-фазовые характеристики, жаростойкость и термостойкость синтезированных структур в процессе высокотемпературного нагрева (до 1500 ℃).
Кроме этого, сотрудники лаборатории компонентов и систем для синхротронных исследований НИЦ ТЦК участвуют в создании позиционно-чувствительного детектора для будущих станций строящихся источников синхротронного излучения в России, необходимого для регистрации синхротронного излучения.
За четыре года на базе ТГУ, ТПУ и ТУСУРа при участии центра прошли обучение более 250 человек, были реализованы программы как профессиональной переподготовки, так и повышения квалификации, включающие курсы по генерации синхротронного излучения, методам пучково-плазменной инженерии поверхности и материаловедению.
На этом работа НИЦ ТЦК не заканчивается. Федеральная научно-техническая программа по развитию синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры продлена до 2030 года, и томские ученые вновь планируют участвовать в конкурсе на получение финансирования.
Ольга Булгакова, пресс-служба ТНЦ СО РАН
Фото Ивана Зуйкова (1), предоставлено ИСЭ СО РАН (2)