Учёные из МФТИ, ФГБНУ ТИСНУМ и МИСиС оптимизировали толщину слоев «ядерной батарейки», использующей для генерации электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. В одном грамме созданной ими батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что является лучшим результатом среди «ядерных батареек» на основе никеля-63 и в десять раз превосходит плотность энергии, запасённой в обычных химических элементах. Статья опубликована в журнале Diamond and Related Materials, популярно об открытии сообщается в пресс-релизе МФТИ. 

Обычные батарейки, которые используют для питания часов, карманных фонариков, игрушек и других сравнительно небольших автономных электрических приборов, получают электрическую энергию химическим способом, с помощью окислительно-восстановительных реакций. Электроны «перетекают» через электролит с одного электрода на другой, и на электродах возникает разность потенциалов. Если соединить концы батарейки проводом, электроны придут в движение так, чтобы разность потенциалов исчезла — по проводу потечёт ток. Химические батарейки, которые также называют гальваническими элементами, обладают высокой удельной мощностью, то есть отношением мощности создаваемого тока к объёму батарейки, но сравнительно быстро разряжаются, и это заметно ограничивает их автономную работу. Существуют перезаряжаемые аккумуляторы, но и в этом случае батарейку нужно вынимать из прибора, что может быть опасно или невозможно, если она обеспечивает питание кардиостимулятора или космического аппарата.

Намного большей длительностью работы обладают радиоизотопные источники питания, или «ядерной батарейки» (не путать с ГИТЭГ - радиоизотопными термическими генераторами,  которых энергия радиоактивных распадов используется для нагрева и создания потока тепла, который потом конвертируется в электрический ток с помощью термоэлектрических элементов). Главным преимуществом «ядерной батарейки» перед гальваническими выступает ее долговечность: период полураспада некоторых радиоактивных изотопов составляет десятки или сотни лет, следовательно, мощность элемента будет оставаться почти постоянной в течение всего этого периода. К сожалению, удельная мощность бета-вольтических генераторов сильно уступает химическим батареям. Тем не менее, радиоактивные генераторы всё-таки использовали в 70-х годах для питания кардиостимуляторов, однако впоследствии их вытеснили литий-ионные аккумуляторы, дешевизна изготовления которых перевесила долговечность бета-вольтических элементов.

Группа учёных под руководством Владимира Бланка, директора ФГБНУ ТИСНУМ и заведующего кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ, придумала способ повысить в 10 раз удельную мощность «ядерной батарейки». В разработанном и изготовленном ими элементе бета-частицы испускались радиоактивным изотопом никеля-63 и попадали в алмазные преобразователи на основе барьера Шоттки. Полная электрическая мощность батарейки составила около 1 мкВт, а удельная мощность достигла десяти микроватт на кубический сантиметр — этого достаточно, чтобы питать современный кардиостимулятор. Период полураспада никеля-63 составляет около ста лет. Таким образом, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что в десять раз больше, чем в химических батарейках.

Мощность, генерируемая преобразователем, зависит от толщины никелевой фольги и самого преобразователя, который поглощает бета-частицы. Все известные на данный момент прототипы ядерных батарей плохо оптимизированы, так как имеют лишний объём. Если толщина бета-источника слишком велика, электроны, рождающиеся внутри него, не смогут покинуть его. Этот эффект называется самопоглощением. С другой стороны, сильно уменьшать толщину источника тоже невыгодно, поскольку вместе с ней уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичные рассуждения применимы и к толщине преобразователя.


Схема устройства «ядерной батарейки»: красным отмечены слои никеля-63, светло-серым — алмазная ячейка, тёмно-серым — контакт Шоттки, желтым — омический контакт, а зелёным — электрические соединители. Дизайнер — Елена Хавина, пресс-служба МФТИ.

Образец «ядерной батарейки» состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги никеля-63 и стабильного никеля. Перед учёными стояла цель: создать батарею на никеле-63 с максимальной удельной мощностью, то есть без лишнего объёма. Для этого они численно смоделировали движение электронов в бета-источнике и прилегающих преобразователях и нашли их оптимальные толщины: оказалось, что эффективнее всего бета-источник на основе никеля-63 «работает» при толщине около двух микрометров, а алмазный преобразователь на основе барьера Шоттки — при толщине около 10 микрометров. 

Наиболее сложной задачей было изготовление большого количества алмазных преобразователей со сложной внутренней структурой толщиной всего в несколько десятков микрон (это толщина стандартного полиэтиленового пакета для пищевых продуктов). Традиционные механические и ионные методы уменьшения толщины алмаза не подходили для решения такой задачи. Сотрудники ФГБНУ ТИСНУМ и МФТИ разработали уникальную технологию синтеза и отщепления тонких алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек для массового создания сверхтонких преобразователей.

В качестве исходного материала были использованы 20 толстых подложек из легированного бором алмаза, выращенного методом температурного градиента. При помощи ионной имплантации в подложках создавался дефектный слой толщиной около 100 нанометров на глубине около 700 нанометров. Поверх этого слоя методом осаждения из газовой фазы синтезировался гомоэпитаксиальный (наследующий кристаллическую структуру подложки) слой слабо легированного бором алмаза толщиной 15 мкм. Затем методом высокотемпературного отжига дефектный слой подвергался графитизации, после чего удалялся методом электрохимического травления. После удаления дефектного слоя заготовку преобразователя снимали с подложки и покрывали контактами: омическим и Шоттки.

В ходе всего описанного процесса подложка теряла менее 1 мкм толщины, после чего операции повторялись. Таким образом на 20 подложках были выращены 200 преобразователей. Разработанная технология чрезвычайно важна с экономической точки зрения: высококачественные алмазные подложки стоят очень дорого, поэтому не подходят для массового производства преобразователей методом уменьшения толщины.



Как заявляют разработчики, созданная батарея может быть использована в качестве источника питания кардиостимулятора, причем без серьёзных изменений его конструкции и объёма. «Вечный» кардиостимулятор значительно повысит качество жизни пациентов, так как исчезнет потребность в его обслуживании и замене батарей. Также в разработке компактных ядерных батарей заинтересована космическая промышленность: в настоящее время существует потребность в автономных беспроводных внешних датчиках и микросхемах памяти со встроенной системой питания для космических аппаратов. Алмаз является одним из наиболее радиационно стойких полупроводников, и за счёт большой ширины запрещённой зоны может функционировать в широком диапазоне температур, что делает его идеальным материалом для создания ядерных батарей космических аппаратов.

«Мы уже достигли выдающегося результата, который может быть применён в медицине и космической технике, но не собираемся останавливаться на этом. За последние годы наш институт достиг значительных успехов в создании высококачественных легированных алмазов, в частности, алмазов с проводимостью n-типа. Это позволит нам перейти от барьера Шоттки к p-i-n структуре и повысить удельную мощность батареи в 3 раза. А чем больше удельная мощность, тем большее количество применений может найти наша разработка. Мы имеем хороший задел в области синтеза алмазов высокого качества и планируем использовать сочетание уникальных свойств этого материала для расширения компонентной базы радиационно-стойкой электроники и создания инновационных электронных и оптических устройств на его основе», - так прокомментировал открытие Владимир Бланк, директор ФГБНУ ТИСНУМ и заведующий кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ.