Elektrotechniku čakajú nové výzvy

Autor MP november 2018 -

O zaujímavých projektoch slovenských vedcov a ich svetovom dosahu, ale aj problémoch hovorí RNDr. Vladimír Cambel, DrSc., riaditeľ Elektrotechnického ústavu SAV.

Súdiac podľa projektov, ktorým sa v Elektrotechnickom ústave venujú vedci, je mu vlastné spojenie s praxou...

Áno, veľká časť našich projektov má aplikačný charakter. No trpíme štruktúrou súčasného slovenského priemyslu, v ktorom prevládajú veľké firmy so zahraničným kapitálom. Tie si chránia výskum a vývoj, takže ostávajú v krajinách ich pôvodu. To platí nielen pre automobilky, ale aj pre elektrotechnický priemysel, považovaný za jeden z pilierov slovenskej ekonomiky. Snažili sme sa o spoluprácu s niektorými z týchto veľkých výrobcov, no neuspeli sme. Takže na slovenskom trhu nemáme dosť vhodných partnerov – malých a stredných podnikov, ochotných investovať do výskumu a vývoja.

Predsa len však máte viacero projektov postavených na spolupráci s hospodárskou sférou. Ako sa vám to podarilo?

Dobre sa nadväzujú kontakty so zahraničnými firmami v rámci konzorcií medzinárodných projektov. S domácimi sú často založené na osobných vzťahoch. Obracajú sa na nás bývalí kolegovia, ktorí išli robiť do firiem a vedia, čo dokážeme.

cambel 1 Vladimír Cambel počas prednášky v CVTIR SR

Môžete stručne predstaviť súčasné vedecké smerovanie a náplň práce ústavu?

Začnime oddelením supravodičov, ktoré je veľmi úspešné okrem iného aj pri získavaní európskych projektov Horizon 2020. Teraz má štyri. Jeden z nich, ITER – International Thermonuclear Experimental Reactor – sa venuje programu riadenej termojadrovej fúzie. Je to celosvetový projekt, do ktorého sme zapojení vyhodnocovaním vlastností supravodivých pások. V ďalšom projekte sme zapojení najmä výpočtami, optimalizáciou motorov na báze supravodičov. V nedávnej minulosti sme mali projekt, v ktorom sme optimalizovali supravodivý vodič pre vinutie generátora pre veterné turbíny, a teraz v téme vlastne pokračujeme – ale pre letecký priemysel. Záujem o takéto motory prejavuje aj spoločnosť Airbus, pre ktorú ich vyvíja firma Rolls-Royce, partner projektu.

Na tretej téme robíme s CERN-om: ide o supravodivé rezonátory novej generácie urýchľovačov. Štvrtý projekt je zameraný na vývoj obmedzovača skratových prúdov v elektrickej sieti. Využíva prudký nárast odporu, ku ktorému pri prekročení takzvaného kritického prúdu dôjde vďaka prechodu supravodiča do normálneho stavu.

V predchádzajúcom období sme mali viacero projektov siedmeho rámcového programu aj v oblasti polovodičov či oxidov.

Povedzme si o nich...

Oddelenie III-V polovodičov sa venuje výskumu aj aplikáciám súčiastok postavených na báze III-V polovodičov, najmä gálium-nitridu. Ten ľudia dnes poznajú najmä cez biele svetlo LED diód, ktoré sú najefektívnejším zdrojom svetla. Tento pokrok by nebol možný bez zvládnutia technológie gálium-nitridu. Náš ústav je takouto technológiou vybavený a má aj kvalitných vedeckých pracovníkov a zaujímavé rozpracované témy z tejto oblasti. Venujeme sa vysokovýkonovým tranzistorom a integrovaným obvodom na báze gália-nitridu. Venujeme sa aj rastom a štúdiu vlastností nových materiálov na báze nitridov. Tiež sa zaoberáme štúdiom rozhrania oxid-polovodič pre tieto materiály na zlepšenie vlastností gálium-nitridových súčiastok. A zaujíma nás aj gálium-arzenidová technológia, ktorá sa znovu akoby oprášila; vlastne po desaťročiach pribúdajú jej nové zaujímané aplikácie. Napríklad flexibilná elektronika alebo hallovské senzory.

Máte aj oddelenie mikroelektroniky a senzoriky...

Vzniklo v roku 2015 zo štyroch menších – oddelenia mikroelektronických štruktúr, supermriežok, kryoelektroniky a technológie a diagnostiky polovodičov. Aplikačne sú veľmi zaujímavé práce oddelenia na GaAs – arzenide gália, detektoroch častíc a krátkovlnného elektromagnetického žiarenia vrátane röntgenového žiarenia. GaAs plošný detektor má dvadsaťnásobnú citlivosť na röntgenové žiarenie v porovnaní s teraz používanými kremíkovými senzormi. Navyše má rýchlu odozvu a desať- až stonásobne dlhšiu životnosť v prostredí s ionizujúcim žiarením. Ide o detektor, ktorý môže mať veľký význam nielen pre jadrovú fyziku a astronómiu, ale najmä pre medicínu. GaAs pixlový plošný snímač röntgenového žiarenia znásobí možnosti súčasného röntgenu používaného na snímkovanie ľudí.

Ako?

Pomocou takzvaného energetického škálovania by lekár mohol rozlíšiť z jednej snímky, či je nádor zhubný alebo nie. Tejto téme sa venujeme už dlhodobo a myslím si, že máme aj určitý náskok pred svetom. Komunikujeme aj s lekárskymi pracoviskami a chceli by sme sa opäť uchádzať o peniaze určené na projekty dlhodobého strategického výskumu. Raz sa to nepodarilo – hovorím o vlaňajšom škandáli so štrukturálnymi fondmi – ale verím, že v najbližšej výzve uspejeme. Potrebujeme sa však rýchlo pretransformovať na verejnú výskumnú inštitúciu.

Slovensko bolo v 80. rokoch vďaka Elektrotechnickému ústavu SAV piatou krajinou na svete, ktorá vyvinula CCD čip, ale vtedy sme nevyužili šancu urobiť s tým biznis. V tých GaAs snímačoch osobne vidím podobnú šancu, akú sme mali kedysi s CCD obvodmi. Dúfam, že ju nepremrháme podobným spôsobom. Ďalšími témami tohto oddelenia sú výskum efektov slabej supravodivosti a výskum a aplikácie mikro-elektro-mechanických systémov, takzvaných MEMS senzorov.

Pristavme sa pri oddelení fyziky a technológie nanoštruktúr...

Je to oddelenie, ktoré som zakladal v roku 2011. Jednou z jeho hlavných tém je štúdium javov v oblasti mikromagnetizmu s potenciálnym využitím v oblasti prípravy lacných nízkoenergetických magnetických pamätí a logických obvodov. Možno niekomu napadne – a načo je to potrebné, veď lacných pamätí je dostatok? Problémom je však ich energetická náročnosť v spojení s celosvetovým rozvojom digitálnych technológií. Tie vyžadujú prudký nárast celkovej kapacity vyrábaných pamätí, takže šetrenie energie pri zápise / čítaní pamätí je kritické pre udržateľnosť energetickej bilancie ľudstva. Ak s tým nespravíme nič, dopadneme ako ľudstvo zle.

Ako zle?

Ak bude pokračovať rast digitálnych technológií podľa súčasnej predpovede, tak v rokoch 2050 až 2060 by išla všetka energia, ktorú dnes ľudstvo vyprodukuje, na spracovanie, ukladanie a prenos digitálnych informácií. A tento problém môže vyriešiť práve hromadné nasadenie nízkoenergetických pamätí, ktoré je však potrebné najprv vyvinúť.

A ďalšie témy toho oddelenia?

To sú dvojdimenzionálne materiály, ako napríklad grafén, grafénoxid a ďalšie, ktoré sa vyznačujú zaujímavými vlastnosťami a fyzikálnymi javmi, ako sú vysoká pohyblivosť nosičov náboja, efekt nábojových vĺn, supravodivosť, pričom tieto sa dajú experimentálne študovať až po atomárnu úroveň. Ide o veľmi zaujímavú vedeckú oblasť.

Do akej miery sa mení elektrotechnika tým, že sa približuje iným vedám a pracuje pre ne?

Veľa prírodných aj technických vied dnes smeruje k skúmaniu malých alebo nízkorozmerných objektov či povrchov. Zaujímavé sú efekty až na atomárnej či molekulovej úrovni, ktoré často určujú aj makroskopické vlastnosti objektov. A v tomto sa elektrotechnika, respektíve elektronika veľmi približuje materiálovému výskumu, fyzike, chémii. Narastá potreba modelovania, takže význam matematických metód v našej práci tiež narastá. Využívame modelovanie rôznymi komerčnými programami, ale vyvíjame aj vlastné. Vzhľadom na rozmery skúmaných objektov, ktoré sú na atomárnej úrovni, plánujeme v blízkej budúcnosti začať aj s „ab initio“ výpočtami, teda výpočtami z prvých princípov.

Čo to všetko znamená pre rozvoj vášho odboru?

Spomínané skutočnosti predstavujú nový rozmer našej vedy. Je dobré ho chápať aj v súvislosti s históriou elektroniky. V elektronike bolo niekoľko zásadných míľnikov. Prvým bol vynález diódy z roku 1873, potom tranzistor v roku 1947, začiatkom šesťdesiatych rokov bol vyrobený prvý integrovaný obvod, vyslovený bol Moorov zákon. Ďalej to sú princípy dynamickej RAM pamäte a CMOS technológie [Complementary Metal-Oxide-Semiconductor – pozn. red.]. Na to všetko sa prišlo v šesťdesiatych rokoch a odvtedy – takmer až do roku 2010 – sa v elektronike veľa nových myšlienok neobjavilo.

Čím sa to dá vysvetliť?

Celý pokrok bol postavený iba na zmenšovaní rozmerov spomínaných elektronických obvodov postavených na kremíkovej technológii. Až kým na začiatku 21. storočia dosiahli rozmery obvodov také malé hodnoty, že sa musel prehodnotiť náš prístup k výberu materiálov pre elektroniku. Technológovia napríklad museli v obvodoch vymeniť hradlový SiO2 za oxid hafnia, aby potlačili zvodové prúdy hradla v dôsledku tunelovania. Ďalšou témou sú už spomínané 2D systémy, v ktorých vykazuje transport prúdu vysokú pohyblivosť, čím sa líši od 3D systémov, čiže od klasických elektronických súčiastok. Je snaha využiť tento fakt v novej generácii obvodov. Tie sa však zatiaľ nedarí technologicky zvládnuť.

Nedávno dala Európska únia miliardu eur na výskum grafénu ako 2D materiálu perspektívneho pre elektroniku. Zatiaľ sa skôr ukazuje, že tadiaľto cesta nevedie. Grafén má síce výborné transportné vlastnosti, ale chýba najmä reprodukovateľná veľkoplošná technológia na jeho prípravu, kontaktovanie, izolovanie a podobne.

Zdá sa však, že v každom prípade sa nachádzame v zaujímavej etape hľadania nových ciest a riešení.

Áno. Žijeme v období, ktoré dáva nové výzvy, pracuje sa s novými materiálmi, vrátane 2D materiálov, v klasických súčiastkach sa hľadajú nové riešenia, využívajú sa netradičné efekty, interakcie. Toto všetko vyžaduje komplexný prístup k problematike – od modelovania cez návrh súčiastky, jej technológiu a testovanie.

Martin Podstupka

(Prevzaté z časopisu Akadémia / Správy SAV)

Z projektov ústavu

FastGrid: Je zameraný na vylepšenie vlastností pások z vysokoteplotných supravodičov. Cieľom je zvýšenie ich odolnosti voči krátkodobému zaťaženiu nadkritickým elektrickým prúdom. Vedci sa zapájajú do dvoch pracovných balíkov: V prvom, v spolupráci s trnavskou Materiálovotechnologickou fakultou Slovenskej technickej univerzity, skúmajú možnosti zlepšenia odolnosti pomocou nanesenia dodatočnej vrstvy z materiálu s vysokou tepelnou kapacitou a dobrou tepelnou vodivosťou. Kombináciou numerického modelovania, prípravy vzoriek a ich experimentálneho testovania hľadajú vhodný postup úpravy priemyselne vyrábanej pásky, pričom novo vyvinuté pokrytie musí umožňovať aj jej ohýbanie a znášať teplotné cykly medzi -195 a +200 °C. V druhom pracovnom balíku sa podieľajú na skúmaní dôsledkov lokálnych fluktuácií kvality supravodivej vrstvy. V slabých miestach dochádza pri prechode prúdu k ohrevu, tvorí sa tzv. „hot spot“ a pokiaľ sa teplo nepodarí rýchlo odviesť, dôjde k trvalému poškodeniu.

Safemost: Nedostatok energetických zdrojov mobilizuje snahy na hľadanie rezerv. Viac ako desať percent všetkej energie vyprodukovanej vo svete sa stráca následkom konverzných strát v rozvode elektrickej energie, čo je viac ako suma všetkých alternatívnych zdrojov energie. Elektrotechnický ústav je koordinátorom medzinárodného projektu Safemost V4 – Japonsko, ktorého cieľom je vývoj vysoko spoľahlivého a efektívneho prevodníka elektrického výkonu na báze GaN materiálového systému. Kľúčovým elementom takýchto systémov je tranzistorový spínač pracujúci v obohacovacom móde. Očakáva sa, že zvládnutie tejto technológie povedie celkovo k obrovským úsporám energie.

NanoSky: Projekt je venovaný štúdiu statických a dynamických vlastností feromagnetických nanoštruktúr vhodných pre budúce nízkoenergetické pamäte vysokej hustoty. Práca pozostáva z teoretických výpočtov statického základného stavu, ako aj z dynamických prejavov nanomagnetov v magnetickom poli, čo sa potom overuje experimentálne. V rámci projektu vedci navrhujú, realizujú a budú testovať aj nový skenovací systém magnetickej silovej mikroskopie s vysokým priestorovým rozlíšením (na úrovni zhruba 10 nm). Na základe experimentov a teoretických predpovedí navrhnú nízkoenergetickú pamäť a mikrovlnové súčiastky pre kvantovú informatiku.

Výskumno-vývojové centrum pre pokročilé RTG technológie: Jedným z cieľov projektu je technológia prípravy pixlových detektorov na báze GaAs polovodičového materiálu. Využitie GaAs ako základného materiálu namiesto bežne používaného kremíka zvýši oblasť použiteľných energií v RTG zobrazovaní viac ako päťnásobne. GaAs pixlový senzor je optimalizovaný pre vyčítavací čip typu Medipix s veľkosťou pixla 55 μm s celkovým počtom 256 × 256 pixlov. Ďalším cieľom je príprava RTG prvkov kryštálovej optiky, aby bolo možné zlepšiť priestorové rozlíšenie GaAs zobrazovacieho systému. Uplatnením zväčšovacích schopností týchto prvkov v zobrazovacom systéme je možné dosiahnuť priestorové rozlíšenie lepšie ako jeden mikrometer pri použití bežného RTG zdroja.

 

Prečítajte si tiež:

Je Moorov zákon mŕtvy? Kalifornská firma, ktorú vedie Slovák, si to nemyslí

Partneri

fintech blackmarketingovoeducationliga proti rakovinegebruder weisswustenrotSOPKKK blue1