Coating and materials engineering research laboratory
Phone Number:
+7 (8452) 26 - 22 - 22
Учебно-научная лаборатория технологии материалов и покрытий
С.Б.Вениг, В.В.Кисин, А.И.Гребенников
Введение.
Учебно-научная лаборатория технологии материалов и покрытий (УНЛ ТМиП) была создана приказом ректора при кафедре материаловедения, технологии и управления качеством факультета нано- и биомедицинских технологий (ФНБМТ) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» (СГУ) в рамках мероприятия «Модернизация участка планарных технологий» инновационной образовательной программы СГУ 2007 – 2008 гг.
Основной задачей лаборатории в области нанотехнологий является достижение следующих целей [1]:
- подготовка специалистов и кадров высшей квалификации, конкурентоспособных на современном рынке труда;
- расширение фронта фундаментальных и прикладных исследований, развитие востребованной регионом инновационной деятельности;
- укрепление сотрудничества с передовыми производственными организациями страны и региона, с бизнес сообществом, с ведущими отечественными и зарубежными академическими и образовательными учреждениями и центрами и др.
- реализация системы непрерывной подготовки в цепочке среднее профессиональное – высшее профессиональное образование.
- организация и сопровождение учебных занятий;
- обеспечение возможности проведения технологических операций при выполнении курсовых, выпускных, прикладных научных работ студентами, аспирантами, стажерами и сотрудниками факультета нано- и биомедицинских технологий и других структурных подразделений СГУ;
- проведение фундаментальных и прикладных научных исследований в области нанотехнологий, материаловедения, нано- и микроэлектроники на уровне современных международных стандартов; внедрение полученных результатов в образовательные программы подготовки бакалавров, специалистов, магистров, аспирантов и докторантов по специальностям факультета нано- и биомедицинских технологий.
К задачам УНЛ ТМиП относятся:
- формирование инфраструктуры УНЛ ТМиП, позволяющей оптимально решать научно-исследовательские и образовательные задачи;
- создание, модернизация и эксплуатация лабораторных установок в практикуме по технологии, и других практикумах, развернутых в помещениях и на оборудовании УНЛ ТМиП, для студентов факультета нано- и биомедицинских технологий и колледжа радиоэлектроники;
- разработка учебно-методических материалов для выполнения лабораторных работ студентами;
- участие в конкурсах НИР, проводимых российскими и международными организациями;
- поиск и проведение договорных прикладных научных исследований и измерений с промышленными и академическими организациями;
- разработка и внедрение новейших материалов, методов измерений и устройств в соответствии с приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники РФ в промышленность Саратовского региона.
Структура, состав и оснащение лаборатории.
В штатное расписание лаборатории входят должности учебно-вспомогательного персонала.
Должности научных сотрудников предполагается вводить отдельными приказами ректора СГУ по мере развития лаборатории, поступления заказов на выполнение научных исследований и оказание наукоемких услуг. Вне штата в лаборатории работают преподаватели кафедр факультета нано- и биомедицинских технологий СГУ, ведущие в лаборатории занятия в соответствии с утвержденными учебными планами.
Руководство деятельностью УНЛ ТМиП осуществляется заведующим, назначаемым на должность и освобождаемым от нее приказом ректора СГУ по представлению заведующего кафедрой материаловедения, технологии и управления качеством и декана факультета нано- и биомедицинских технологий. Методическое руководство лабораторией осуществляют профессора и доценты кафедры, читающие профильные курсы, которые поддерживаются лабораторными практикумами, реализуемыми на базе УНЛ ТМиП.
Лаборатория состоит из четырех основных участков, каждый из которых призван выполнять свои специфические функции, и имеет особенности оснащения. Вместе с тем все участки функционально связаны друг с другом и совместно могут сформировать полный технологический цикл приготовления материала или нанесения покрытия.
Задачей химического участка (рис. 1) является обеспечение возможности проведения химических операций и изучения химических процессов, входящих в технологию получения материала или нанесения покрытия. Участок оснащен оборудованием, позволяющим приготовить навески массой до 200 г с точностью 0,1 мг. С помощью цифровых пипеток переменного объема можно осуществлять забор и дозирование жидкостей объемом до 1 мл с точностью 5 мкл. Для перемешивания жидкостей имеется ультразвуковая ванна емкостью 3 л и магнитные мешалки с возможностью подогрева жидкости до 120° С. Смешивание порошков можно производить с помощью специального миксера. Скорость и направление перемешивания, а также наклон оси вращения в миксере могут устанавливаться оператором.
Одним из основных материалов полупроводниковых и нанотехнологий является вода особой чистоты. Лаборатория оборудована системой трехступенчатой очистки воды. На первой ступени получается дистиллированная вода с производительностью 4 л/час. На второй ступени эта вода может быть очищена с помощью мембранных технологий до сопротивления 5 МОм. Заключительная стадия включает мембранную, а также ионнообменную очистку, что позволяет довести сопротивление воды до величины 18 МОм.
Для получения растворов, суспензий, эмульсий, золей, гелей или ксерогелей имеется приточно–вытяжная вентиляция с фильтрацией забираемого снаружи помещения воздуха и его подогревом мощностью 7,5 кВт. Влагозащищенная электронагревательная плита с конфорками разной мощности позволяет нагревать и кипятить смеси до нужной температуры. Сушильный шкаф, СВЧ печь, муфельная и трубчатая печи позволяют проводить объемную сушку, спекание, обжиг на воздухе и в потоке контролируемого газа. Программа термообработки в печах может содержать до 17 шагов, выполняемых в автоматическом режиме. Температура при этом будет поддерживаться с точностью ±1° С в диапазоне до 1350° С.
Контроль кислотности воды и растворов может быть выполнен с помощью рН-метра, работающего в пределах от -2,000 до +16,000 с погрешностью 0,005 в диапазоне температур от 0 до 55о С. Вязкость получаемых растворов, суспензий, эмульсий, золей, гелей может быть измерена в диапазоне от 1 до 100 Па∙с и в температурном интервале от 0 до 160о С. Диспергирование суспензий и эмульсий осуществляется в ультразвуковой ванне. Разделение их по фракциям – в центрифуге с загружаемым объемом до 480 мл, максимальное ускорение 20627 g.
Контроль размеров частиц и состояния обрабатываемых поверхностей может быть выполнен с помощью оптических микроскопов, снабженных цифровой фото- и видео регистрацией. Максимальное оптическое увеличение без применения иммерсионной среды составляет х1250. Объем изображения 12,1 мегапикселей. Наночастицы и наноразмерные элементы микроструктур и покрытий исследуются с помощью учебного зондового микроскопа, работающего как в режиме туннельно-силового микроскопа, так и в режиме атомно-силового микроскопа.
На измерительном участке УНЛ ТМиП (рис. 2) в настоящее время реализуются основные учебные практикумы по базовым курсам, изучаемым на факультете и в колледже радиоэлектроники. В частности на этом участке проходит с объемом 51 час в неделю технологический лабораторный практикум, который разрабатывался на кафедре физики твердого тела, кафедре физики полупроводников, кафедре материаловедения, технологии и управления качеством в течение многих лет подготовки специалистов, бакалавров и магистров полупроводниковых и микроэлектронных специальностей [2]. Учебные лабораторные работы на этом участке периодически заменяются в соответствии с расписанием занятий. Благодаря этому участок обеспечивает помимо технологического практикума, выполнение других практикумов, в частности: «Преобразователи первичные», «Материалы сенсоров», «Физические основы измерений», «Физические принципы работы измерительных систем» и др.
Научно-исследовательский участок предназначен для обеспечения выполнения курсовых, дипломных, выпускных квалификационных работ студентов ФНБМТ, технологического обеспечения диссертационных работ аспирантов и докторантов университета, сотрудников других организаций, выполняющих с кафедрой материаловедения, технологии и управления качеством совместные проекты. На этом участке хранится коллекция лабораторных работ, не задействованных в тот или иной период времени в учебном процессе. Проводится модернизация старых и разработка новых лабораторных работ, выполняются научные исследования.
Здесь расположены рабочие места учебно-вспомогательного персонала лаборатории и 5 рабочих мест для профессорско-преподавательского состава, студентов и аспирантов на период их работы в лаборатории. Рабочие места оборудованы выходом в Интернет (всего 8 точек на лабораторию, 4 стационарных компьютера, налажены телеконференции с другими подразделениями факультета и учебными заведениями, как в России, так и за рубежом). Участок оборудован силовой энергетикой, водой, сливом, приточно-вытяжной вентиляцией, вытяжным шкафом для работы и вытяжным двухсекционным шкафом для хранения реактивов. Лаборатория обеспечивает выполнение экспериментальных исследований и удаленное управление ими в среде LabView.
Перспективы развития лаборатории.
К концу 2009 года в лаборатории должен быть введен в эксплуатацию вакуумный участок. В соответствии с проектом на этом участке должны будут реализовываться технологии нанесения покрытий методами вакуумного испарения (электронный пучок, четыре сменяемых тигля, мощность пучка 3 кВт; резистивный испаритель мощностью 1 кВт для нанесения гидрофильных или гидрофобных покрытий). Кроме этого предусмотрены технологии магнетронного распыления и реактивного магнетронного распыления как на постоянном токе, так и с высокочастотным смещением мишени и регулируемым смещением подложки. Подложки могут очищаться как тлеющим разрядом, так и ионным пучком с током до 5 А.
Помимо физических методов осаждения на участке будет поставлена технология получения покрытий методом химических реакций в газовой фазе при пониженном давлении с возможностью стимуляции процесса плазмой тлеющего разряда. Количество газовых каналов – 5. Управление установками производится программируемым в реальном времени компьютером в системе Profibus I/O System. В рамках Федеральной целевой программы «Развития инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы» предполагается оснастить лабораторию электронной литографией на базе сканирующего электронного микроскопа.
Таким образом, в ходе реализации инновационной образовательной программы СГУ создано инновационное образовательно-научное подразделение, в котором реализуются лабораторные практикумы для студентов ФНБМТ и колледжа радиоэлектроники, созданы условия для научной работы студентов и сотрудников СГУ. Оснащение лаборатории позволяет решать задачи исследования технологии создания, свойств нанопорошков и нанопокрытий, наноструктурированных материалов и покрытий, сенсорных систем.
