34. Способы легирования материалов.

ВИКИ: Леги́рование (нем. legieren — «сплавлять», от лат. ligare — «связывать») — добавление в состав материалов примесей для изменения (улучшения) физических и химических свойств основного материала. Легирование является обобщающим понятием ряда технологических процедур, различают объёмное (металлургическое) и поверхностное (ионное, диффузное и др.) легирование.

В металлургии легирование производится в основном введением в расплав или шихту дополнительных химических элементов (например, в сталь — хрома, никеля, молибдена), улучшающих механические, физические и химические свойства сплава. Для изменения различных свойств (повышения твёрдости, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д.) приповерхностного слоя металлов и сплавов применяются также и разные виды поверхностного легирования. Легирование проводится на различных этапах получения металлического материала с целями повышения качества металлургической продукции и металлических изделий.

При изготовлении специальных видов стекла и керамики часто производится поверхностное легирование. В отличие от напыления и других видов покрытия, добавляемые вещества диффундируют в легируемый материал, становясь частью его структуры.

При изготовлении полупроводниковых приборов под легированием понимается внесение небольших количеств примесей или структурных дефектов с целью контролируемого изменения электрических свойств полупроводника, в частности, его типа проводимости.

Лекция: Установка для первого способа легирования содержит источник кремния и источник легирующей примеси.

Источник кремния представляет собой расплав кремния, образующийся в тигле под действием электронного луча, создаваемого электронной пушкой.

Испарение легирующей примеси происходит в результате резистивного подогрева тигля, содержащего материал примеси.

После испарения атомы кремния и легирующей примеси достигают поверхности и встраиваются в кристаллическую решетку.

Скорость переноса атомов определяется главным образом их тепловой энергией, так как в сверхвысоком вакууме столкновения атомов маловероятны.

Второй метод легирования наращиваемой эпитаксиальной пленки состоит в имплантации ионов из ускоренных ионных пучков.

Для ускорения ионов используются невысокие ускоряющие напряжения, изменяющие энергию ионов в пределах 400…800 эВ.

Билет 6.

6 и 35

6. Финансово - экономические аспекты состояния и развития нанотехнологии.

Какая-то статья:

Мировая наноиндустрия: текущее состояние и прогнозы развития

Величина современного мирового рынка нанотехнологий оценивается суммой от 30 до 100 млн долл. в год. [2], при этом он является одним из самых быстрорастущих в мире. По оценке Национального Научного Фонда США (2001 г.), к 2015 г. оборот мирового рынка нанотехнологий составит 1 трлн. долл. в год.[7]. Наиболее емким для реализации продукции сектора нанотехнологий является рынок стран Азиатско-Тихоокеанского региона, поскольку в Азии сосредоточено большое количество производителей электроники (Япония, Южная Корея, Китай), в которой используются нанотехнологии. Однако по мере более обширного применения нанотехнологий в фармацевтике следует ожидать увеличения доли рынков развитых стран (США и Европа), где спрос на медикаменты выше в силу более высокого уровня благосостояния населения и особенностей его возрастной структуры.

Мировая наноиндустрия является сравнительно молодым сектором экономики. О динамике ее развития можно судить на основе базы NanoinvestorNews, содержащей данные по компаниям в мировом секторе нанотехнологий. К весне 2005 г. в этой базе было зарегистрировано около 1000 компаний, для 522 из них был указан год создания. Анализ данных, представленных в базе, позволяет заключить, что бурное развитие сектора нанотехнологий началось в период 1981–1990 гг., когда было создано около 70 компаний из 522. Настоящий «прорыв» произошел в течение следующего десятилетия. Так, в 1996 г. было создано сразу 30 компаний, а в 2000 году – почти 50. [7]

Как правило, оборот у компаний в секторе нанотехнологий не велик – это малые либо средние компании. Так, в Германии около 60% компаний имеют оборот меньше 10 млн долл. США (по состоянию на 2003 г.), в США размер компаний выше – от 10 до 500 млн долл. Интерес представляет Япония, в которой большинство компаний имеет оборот, превышающий 500 млн долл.

Исследовательская компания Lux Research выделяет три фазы развития нанотехнологий в мире [7]:

1. до 2004 г.: ограниченное применение нанотехнологий только в высокотехнологичных продуктах;

2. 2005-2009 гг.: прорыв в нанотехнологических инновациях при доминировании наноэлектроники;

3. 2010 г. и далее: широкомасштабное распространение нанотехнологий, особенно в медицине и фармацевтике.

По прогнозу Lux Research, продукция нанотехнологий в 2014 г. будет составлять 15% всего промышленного производства. При этом в производстве компьютеров нанотехнологии будут занимать 100%, в бытовой электротехнике – 85%, в фармацевтике – 23%, в автомобилестроении – 21%. Наиболее емким сегментом рынка будут являться наноматериалы, не менее значимым окажется применение нанотехнологий в сфере электроники и в сфере фармацевтики. [7].

Данные патентной статистики также дают возможность судить о развитии сектора нанотехнологий в мире и в странах-лидерах.К 2003 г. количество выданных патентов по нанотехнологиям (количество семей патентов, в соответствии с кодом Y01N в классификации Европейского патентного бюро) превышало 2,5 тысячи. Среднегодовые мировые темпы роста выдачи патентов в указанной отрасли за период 1995–2003 гг. составили 14%. В период 1995–1999 гг. наиболее быстро развивались сферы наноматериалов и наноэлектроники (среднегодовые темпы выдачи патентов соответственно составили около 34% и 30%). В период 1999–2003 наиболее быстро росли уже такие подотрасли, как нанооптика и производство наномагнетиков (nanomagnetic, около 20% в год). Также бурно начала расти сфера нанобиотехнологий [7].

Лидером по количеству патентов, выданных в секторе нанотехнологий, явялются США: резиденты этой страны составляют около половины патентодержателей в мире. Однако США уже не являются лидерами по динамике выдачи патентов. Наиболее быстро развиваются разработки в Южной Корее – среднегодовые темпы выдачи патентов на изобретения там составляют около 45% (за период 1999–2003 гг.). Далее идут Нидерланды, Канада, Великобритания, Германия, у которых динамика получения патентов превышает 20% в год. [7] Это свидетельствует о наличии процесса конвергенции в научно-технических разработках разных стран мира.

Другим важным индикатором развития научного сектора является количество научных публикаций. По числу научных публикаций по нанотехнологиям в мире лидируют 6 стран: США, Германия, Франция, Япония, Южная Корея, Китай. Страны Евросоюза в целом занимают первое место по числу научных публикаций в мире: в 1998–2001 гг. их доля составляла 41%. Доля США и Канады – 24%, Японии – 13%. Активно развиваются исследования в Китае – за последние 10 лет он увеличил количество своих публикаций в 20 раз (и занял второе место среди стран мира после США). [5].

Сопоставление статистики выдачи патентов и числа публикаций научных статей приводит к следующему интересному выводу. Лидером по получению патентов на нанотехнологии в мире являются США, лидером же по научным публикациям являются страны Европейского Союза. Это наглядно демонстрирует то, что США в большей степени ориентированы на коммерческий успех новых технологий, а Европа – на новое знание, которое является, по сути, общим благом для всех. Причина таких различий состоит в том, что исследования в области нанотехнологий в Европе в большой степени финансируются государством. В США частный бизнес более активен, государство финансирует преимущественно те разработки, которые направлены на нужды оборонно-промышленного комплекса.

Из этого можно вынести важный урок. Государство, стремясь к развитию нанотехнологий, может и подорвать стимулы к коммерциализации изобретений. Избежать этого можно путем разделения сфер применения нанотехнологий, финансируемых бизнесом и государством. Государство должно воздерживаться от финансирования разработок гражданского назначения, поскольку они в наибольшей степени интересны для частного бизнеса. При этом государственное финансирование необходимо при разработке нанотехнологий для использования в общественном секторе экономики, например, в национальной обороне.

5. Источники финансирования разработок в сфере нанотехнологий

В начале XXI в. в США была принята долгосрочная комплексная программа «Национальная нанотехнологическая инициатива», объединяющая под своим «зонтиком» исследования десяти ведомств. По этой программе в 2001 г. объем бюджетного финансирования нанотехнологических исследований составил 420 млн долл., а после 2004 г. этот уровень составил около 1 млрд долл. в год [5], т.е. около 0,3% всех средств, направляемых в США на финансирование государственных и частных исследований. Основными распорядителями государственных средств являются Национальный научный фонд и министерство обороны. Около 75% государственных средств получают университеты, еще 22% – национальные научно-исследовательские лаборатории [2].

Россия в силу переходного кризиса в 1990-е гг. оказалась в стороне от мирового процесса развития нанотехнологий. Российские научные исследования финансировались недостаточно, что вело к отсутствию необходимого экспериментального оборудования. Оживление началось после 2000 г., когда стартовали проекты по финансированию разработок наноматериалов, поддержанные Российским Фондом Фундаментальных Исследований, отраслевыми программами Минобороны, Росатома, Роскосмоса, Минпромэнерго, что в сумме составляло около 20 – 25 млн долл. в год. В 2004 г. была принята федеральная целевая программа с ежегодным финансированием нанотехнологий в размере 70–80 млн долл. В 2006 г. была принята федеральная целевая программа с финансированием в размере 134 млрд руб. (5 млрд долл.) на 2007–2012 гг.[5]. В настоящее время создается ГК «Российская корпорация нанотехнологий» с капиталом 130 млрд руб.

Мировой опыт показывает, что сектор нанотехнологий получает от государства только первоначальный импульс для развития, остальное делает частный бизнес. Так, в США, Японии, Южной Корее с 1999 по 2004 гг. частные инвестиции в наноиндустрию выросли в 10 раз. При этом первенство принадлежит крупнейшим транснациональным корпорациям. В США лидерами являются IBM и Hewlett-Packard. В Южной Корее – это Samsung Electronics.

В 2005 г. объем мирового частного финансирования разработок в сфере нанотехнологий вплотную приблизился к государственному. Это означает, что рынок перешагнул тот рубеж, после которого его развитие приобретает самоподдерживающийся характер. Наибольшую долю частного сектора в финансировании нанотехнологий имеет Япония (около двух третей). В США частный сектор отвечает более, чем за половину финансовых вложений. В Европе частный сектор проявляет относительно меньшую активность, там его доля составляет около 30% [9].

Особенностью частных инвестиций в сектор инновационной продукции являются высокие риски при высокой номе доходности. Для подобных инвестиций существуют специальные институты – фонды венчурного инвестирования, которые могут максимально эффективно управлять возникающими рисками. Вложения венчурного капитала в нанотехнологии характеризуется стремительной динамикой роста, сопряженной с высокой волатильностью. В 2002 г. инвестиции составили 407 млн долл. США. Можно отметить, что наиболее привлекательной сферой вложений венчурного капитала являются инновации на стыке нано- и биотехнологий. Эта сфера привлекла чуть более половины всех венчурных инвестиций в 2003 г. При этом 32% вложений направляются на разработку приборов на основе нанотехнологий, остальные – на разработку наноматериалов и наноинтрументов [7].

Таким образом, можно утверждать, что существует разделение финансовых сфер ответственности между бизнесом и государством. Государству следует финансировать фундаментальные разработки, которые являются общественным благом и могут быть использованы любым исследователем. В-частности, государство должно поддерживать сектор образования, обеспечивающий подготовку квалифицированных специалистов для наноиндустрии. Частному сектору, как правило, такие расходы не интересны, поскольку они не позволяют извлекать непосредственную экономическую выгоду. Вместе с тем, частные компании заинтересованы в инвестициях в прикладные разработки, позволяющие получить новые товары, пользующиеся спросом на рынке.