Разработка, апробация и перспективы развития программно-аппаратного нанотехнологического комплекса с удалённым доступом «Учебно-научная лаборатория технологии материалов и покрытий»

28.01.2011

Разработка, апробация и перспективы развития программно-аппаратного нанотехнологического комплекса с удалённым доступом «Учебно-научная лаборатория технологии материалов и покрытий»

С. Б. Вениг, В. В. Кисин

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского, Саратов, Россия

Неуклонное развитие передовых технологий, особенно нанотехнологий, сопровождается непрерывным усложнением исследовательских и учебных задач, стоящих перед научными и образовательными организациями всех форм собственности. При этом практически во всех лабораториях, даже разрабатывающих тесно связанные друг с другом проблемы, формируется своя, уникальная материально-техническая база, уникальный кадровый потенциал, уникальные методические разработки.

Традиционные методы обмена опытом, такие как публикация результатов в научных изданиях, конференции, выставки продолжают быть эффективным средством ускорения прогресса, но не в состоянии полностью соответствовать темпам развития науки в настоящее время. Более оперативными формами научного сотрудничества являются программы научного и мобильного образовательного обмена передовым опытом и достижениями современной науки.

Для обеспечения возможности проведения работ в этом направлении при кафедре материаловедения, технологии и управления качеством факультета нано- и биомедицинских технологий Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» в рамках инновационной программы [1] приказом ректора была создана учебно-научная лаборатория технологии материалов и покрытий. В данной работе рассматриваются цели и задачи лаборатории, ее структура, состав и оснащение.

Основной задачей лаборатории в области нанотехнологий является достижение следующих целей:

· 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 университета;

· 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 лаборатории относятся:

· формирование инфраструктуры, 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 лаборатории, 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.

Для обеспечения возможности проведения видеоконференций в лаборатории применяется свободно распространяемый программный продукт Ekiga (http://www.ekiga.net/) Для реализации дистанционного управления экспериментом была выбрана среда программирования LabView.

Структура, состав и оснащение лаборатории. В штатное расписание лаборатории входят должности учебно-вспомогательного персонала. Должности научных сотрудников предполагается вводить отдельными приказами ректора университета 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, ведущие в лаборатории занятия в соответствии с утвержденными учебными планами.

Руководство деятельностью лаборатории осуществляется заведующим, назначаемым на должность и освобождаемым от нее приказом ректора 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 лаборатории.

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 является обеспечение возможности проведения химических операций и изучения химических процессов, используемых в технологии 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 миксера, скорость и направление перемешивания в котором, а также наклон оси вращения могут устанавливаться оператором.

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 обеспечения чистоты воздуха в помещении имеется приточно–вытяжная вентиляция с фильтрацией забираемого снаружи воздуха и его подогревом. 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 в диапазоне от комнатной до 1350°С с точностью ±1°С.

Контроль кислотности воды и растворов осуществляется с помощью рН-метра, работающего в пределах от -2,000 до +16,000 с погрешностью 0,005 в диапазоне температур от 0 до 55^оС. 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 160^оС. Диспергирование суспензий и эмульсий осуществляется в ультразвуковой ванне. Разделение их по фракциям – в центрифуге с загружаемым объемом до 480 мл при ускорении до 20627 g.

Контроль размеров частиц и состояния обрабатываемых поверхностей может быть выполнен с помощью оптических микроскопов, снабженных системой цифровой фото- и видео регистрации. Максимальное оптическое увеличение без применения иммерсионной среды составляет х1250. Размер изображения составляет 12,1 мегапиксель. 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 лаборатории в настоящее время реализуются основные учебные практикумы по базовым курсам, изучаемым на факультете и в колледже радиоэлектроники, входящем в состав университета. В частности на этом участке базируется технологический лабораторный практикум [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 факультета, технологического обеспечения диссертационных работ аспирантов и докторантов университета, сотрудников других организаций, выполняющих с кафедрой материаловедения, технологии и управления качеством совместные проекты. Здесь проводится модернизация старых и разработка новых лабораторных работ, выполняются научные исследования. На этом участке 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.

Лаборатория в целом и научно-исследовательский участок, в частности, обеспечивает выполнение экспериментальных исследований и удаленное управление ими в среде LabView.

В частности на участке расположен измерительно-вычислительный комплекс с удаленным доступом для исследования газочувствительности полупроводниковых структур. Данный комплекс позволяет измерять проводимость образца в диапазоне от 10^–13 до 10^–5 См при воздействии на него паровоздушной смеси контролируемого состава, измерять и поддерживать температуру образца в диапазоне от 100 до 460°С, измерять вольтамперные характеристики образцов в диапазоне от 0,02 до 360 В с шагом по напряжению 0,02 В при значениях тока от 10^–12 до 10^–3 А, изменять влажность паровоздушной смеси в диапазоне от 10 ppm до 35000 ppm с шагом 50 ррm.

Комплекс обладает следующими основными метрологическими характеристиками. Входящие в установку расходомеры со шкалой 0,1 л/мин и 1 л/мин обеспечивают точность измерения и уставки 1% от полной шкалы. Проверка измерительной цепи путем замены образца эквивалентным резистором показывает, что точность измерения проводимости обеспечена на уровне 10^–13 См, что обеспечивает относительную погрешность при проведении экспериментов с образцами сопротивлением от 10⁵ до 10¹⁰ Ом не более 0,1%.

Таким образом, в ходе реализации инновационной образовательной программы СГУ создано инновационное образовательно-научное подразделение, в котором реализуются лабораторные практикумы для студентов факультета нано- и биомедицинских технологий и колледжа радиоэлектроники, созданы условия для научной работы студентов и сотрудников университета. Оснащение лаборатории позволяет решать задачи исследования технологии создания, свойств нанопорошков и нанопокрытий, наноструктурированных материалов и покрытий, а также задачи разработки и исследования сенсорных систем.

Литература

1. Инновационная образовательная программа Саратовского госуниверситета / http://innprog.sgu.ru/docs/iop_short.php

2. Технология материалов электронной техники: Лабораторный практикум. Учебное пособие для студентов факультета нано- и биомедицинских технологий / Е.Г. Глуховской, С.В. Стецюра, И.В. Маляр, С.А. Климова / Под общ. ред. доц. С.В. Стецюра, доц. Е.Г. Глуховского. – Саратов: ООО «Редакция журнала «Промышленность Поволжья»», 2008. – С. 174: илл. ISBN 978-5-901806-10-4.