Гибкие стекла

почетный профессор СПбГУ, заведующий кафедрой лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ

Юрий Станиславович Тверьянович

НЬЮСМЕЙКЕР

Кейсы

Ученые СПбГУ нашли способ увеличить пластичность полупроводниковых стекол, которые используются для производства тепловизоров, внешних накопителей данных и гибких сенсоров. Разработка поможет создавать более прочные и долговечные устройства, а благодаря тому, что у нее нет аналогов, обеспечит России конкурентное преимущество.

Химики СПбГУ сделают более долговечными приборы ночного видения

09.10.25

Стеклянные полупроводники

Гибкая электроника

ИК-оптика

Прочнее, гибче, целее

3.

Не сопротивляться, а расслабляться

2.

Единственные в мире

4.

Востребованные, но хрупкие

1.

Содержание:

Востребованные, но хрупкие

По данным компании Global Market Insights Inc., сегодня рынок полупроводниковых стекол является одним из быстрорастущих. Так, в 2024 году он оценивался в $ 300,4 млн, в 2025 году, по прогнозам, дорастет до $ 319,9 млн, а к 2034 году его стоимость достигнет $ 573,5 млн.

Согласно тому же источнику, рост будет обусловлен увеличением потребности в инфракрасной (ИК) оптике, для изготовления которой используются полупроводниковые стекла. Сегодня ИК-техника нужна в научных исследованиях (ИК-спектрофотометры), медицине (ИК-эндоскопы) и особенно в военном деле (тепловизоры и приборы ночного видения).

Еще одним ключевым фактором роста станет развитие телекоммуникаций: стеклянные полупроводники применяют в создании ИК-оптических кабелей для решения специальных задач. Также на рынке отразится возрастающая популярность гибкой электроники, в частности медицинских сенсоров, и энергонезависимых устройств памяти (по типу USB-флеш-накопителей. — Прим. ред.), производство которых тоже нуждается в полупроводниковых стеклах.

По словам Юрия Станиславовича Тверьяновича, почетного профессора СПбГУ, заведующего кафедрой лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ, стеклянные полупроводники так востребованы из-за своих полезных свойств. При этом у них есть существенный недостаток: они хрупкие, поэтому все изделия на их основе недолговечные. Ученые СПбГУ знают, как это исправить. Они разработали гибкие полупроводниковые стекла, которые могут выдерживать силу сжатия, под воздействием которой разрушается обычное стекло, и даже снижать ее интенсивность.

Не сопротивляться, а расслабляться

Как рассказал исследователь, в процессе изготовления детали или функционирования устройства на основе стеклянных полупроводников в них возникают так называемые напряжения. Например, температурные напряжения появляются при производстве инфракрасной оптики методом горячего прессования, механические — в устройствах энергонезависимой памяти просто во время считывания информации.

По словам Юрия Тверьяновича, такие напряжения ведут к деградации изделия из стеклообразного проводника, но предотвратить их появление нельзя. Химики СПбГУ и не ставили перед собой такой задачи. Они решили создать стекло, которое будет выдерживать напряжения в первые минуты воздействия, а затем постепенно снижать их интенсивность, то есть релаксировать.

Задуманное удалось реализовать. Исследователи смогли сделать полупроводниковые стекла достаточно пластичными за счет внедрения в них металлофильных связей.

Юрий Тверьянович

почетный профессор СПбГУ, заведующий кафедрой лазерной химии и лазерного материаловедения СПбГУ

«В простых стеклах атомы соединены ковалентными связями, направленными и прочными, не дающими атомам смещаться. Металлофильные связи ненаправленные, более мягкие, они позволяют атомной структуре деформироваться. Введение в состав полупроводникового стекла, например, серебра, способного к металлофильному взаимодействию, придало материалу пластичность и способность релаксировать напряжения, как термические, так и механические»

Прочнее, гибче, целее

Сегодня у химиков СПбГУ есть два перспективных образца. Первый способен в два раза уменьшить приложенную к нему силу напряжения всего за 20 минут. Его пластичность ученые проверили в «Центре исследования экстремальных состояний материалов и конструкций» Научного парка СПбГУ. По словам Юрия Тверьяновича, специалисты измеряли силу, с которой на материал оказывалось давление, а также насколько и за какое время оно уменьшалось.

«По снижению величины приложенной силы сжатия можно наблюдать, как в стекле сокращается внутреннее напряжение и происходит релаксация. В итоге чем меньше остаточная сила сжатия, тем выше его пластичность», — рассказывает Юрий Тверьянович. В тесте полученное учеными полупроводниковое стекло снизило приложенное к нему напряжение на три четверти. Это очень хороший результат.

Второй образец пластичного стеклянного полупроводника получен учеными СПбГУ пока только в микроскопическом варианте: в виде пленки толщиной примерно один-два микрона. Его гибкость специалисты подтвердили по тому же принципу с помощью специального прибора — нанотвердомера. Он предназначен для работы с материалами малого размера. «Это стекло получилось гибким настолько, что оно в буквальном смысле слова мнется, — отмечает исследователь. — По пластичности оно сравнимо с алюминием и даже превосходит его».

Единственные в мире

На данном этапе ученые СПбГУ научились получать гибкие стеклообразные полупроводники пока только в лабораторных условиях. Если появится финансовая возможность, специалисты готовы доработать технологию и расширить спектр химических составов стекол, чтобы можно было запустить масштабное производство.

По словам Юрия Тверьяновича, сегодня ученые СПбГУ единственные в мире занимаются созданием пластичных стекол. Внедрение их разработки в промышленность поможет России получить конкурентное преимущество на рынке полупроводников, а также позволит запустить производство долговечных оптических и электронные устройств. В некоторых из них, например в приборах ночного наблюдения, сегодня потребность особенно высока.

Екатерина Заикина

Автор статьи