Мираж

Мираж
Шифр эксперимента: Мираж
Направление НПИ: 1. Физико-химические процессы и материалы в условиях космоса
Секция КНТС: Космическое материаловедение
Наименование эксперимента: Исследование влияния реальной микрогравитации и условий кристаллизации на гидродинамику и процессы тепломассопереноса в расплавах и образование неоднородностей структуры и свойств в кристаллах полупроводников
Цель эксперимента:

Изучение особенностей влияния в условиях микрогравитации сил инерции и тяготения на процессы конвекции и тепломассопереноса в расплавах и формирование микронеоднородностей и макронеоднородностей в кристаллах; исследование возможностей управления процессами конвекции и тепломассопереноса в расплаве получения кристаллов полупроводников с более высокой, чем на Земле, степенью однородности структуры и свойств.

Описание эксперимента:

КЭ направлен на значительное уменьшение влияния малых вариаций массовых сил, обусловленных микроускорениями и вибрациями, термокапиллярной конвекции Марангони на гидродинамику и процессы массопереноса в расплавах и образование неоднородности структуры и свойств в кристаллах, и тем самым на получение макро- и микрооднородных кристаллов.

Предполагается исследовать технологические возможности реализации при направленной кристаллизации в невесомости диффузионного тепломассопереноса для получения более совершенных (с уровнем однородности <=1%) по сравнению с земными аналогами (с уровнем однородности <=2%) кристаллов полупроводников.

В качестве объектов исследований выбраны: германий Ge (Тпл - 937° С, v=0,00135 см2/с), легированный галлием Ga, и антимонид галлия GaSb (Tпл = 712°С, v = 0,00275 см2/с), легированный теллуром Те.

В КЭ "Мираж" для выращивания кристаллов выбран вертикальный метод Бриджмена с нагревом расплава сверху. Для уменьшения влияния конвекции Марангони будет использоваться специальная конструкция ампулы, обеспечивающая отсутствие свободной поверхности расплава за счет плунжера с пружиной.

Новизна эксперимента:

В космическом эксперименте "Мираж" рост монокристаллов должен проводиться в условиях ориентации направления роста монокристалла параллельно вектору остаточных квазипостоянных микрускорений, реализуя режим «нагрева сверху». Последнее позволит достичь чисто диффузионного тепломассопереноса в расплаве, что невозможно в земных условиях.

Научная аппаратура:

Для проведения КЭ будет использоваться комплект научной аппаратуры "МЭП-01", предназначенной для выращивания кристаллов с использованием сменных нагревательных блоков.

Разработчик и изготовитель НА: филиал ФГУП "ЦЭНКИ" – Конструкторское бюро общего машиностроения имени В.П. Бармина.

Технические характеристики:

- Температура нагревателя от 400 до 1000 град С с шагом нагрева 1 град;

- Постоянная скорость перемещения контейнера с образцом вдоль оси нагревателя от 0,1 до 0,5 мм/ч с шагом 0,05 мм/ч;

- Перемещение контейнера от 60 до 140 мм;

- Регулируемая скорость нагрева 1000 град/ч и 50 град/ч;

- Скорость регулируемого охлаждения 50 град/ч до температуры 400 град С;

- Максимальная мощность потребления не более 350 Вт;

- Величина магнитной индукции вращающегося магнитного поля до 4 мТл с частотой от 25 до 200 Гц.

НА "МЭП-01" будет использоваться в экспериментах "Магнитоконтроль", "Мираж", "Фуллерен". Для второго этапа эксперимента будет использоваться научная аппаратура "Ростовая установка" и автоматическая поворотная виброзащитная платформа (АПВП) «Флюгер»

Ожидаемые результаты:

Методика наземных и космических экспериментов по выращиванию монокристаллов с высокой однородностью свойств.

Опытные образцы монокристаллов Ge(Ga) и GaSb(Te), выращенные с учетом минимизации влияния отрицательных факторов микрогравитации.

Фундаментальные научные результаты о влиянии невесомости на формирование структуры и свойств кристаллов полупроводников.

Сроки проведения: 2022-2024 гг.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Филиал учреждения Российской академии наук Института кристаллографии им. А.В.Шубникова Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение" (НИЦ КМ ИК РАН).
Организации участники: Филиал ФГУП "ЦЭНКИ" – КБОМ им. В.П.Бармина, ИФТТ РАНЮ, РКК "Энергия", ЦПК им. Ю.А. Гагарина, ЦУП-ЦНИИмаш, СКБ ИРЭ РАН
Научный руководитель: Захаров Б. Г., Институт кристаллографии им. А.В.Шубникова - Научно-исследовательский центр "Космическое материаловедение", д.т.н.
Публикации по эксперименту:

Список публикаций в процессе редактирования.

Последнее обновление: 17.06.2019
Задачи эксперимента:

-На основе наземных теоретических и экспериментальных исследований подготовить и выполнить на борту МЛМ PC МКС эксперименты по выращиванию монокристаллов Ge(Ga) и GaSb(Te) методом направленной кристаллизации (методом Бриджмена) в условиях диффузионного тепломассопереноса. Для уменьшения влияния гравитационных и вибрационных возмущений и достижения диффузионного тепломассопереноса будут исследованы возможности по минимизации/исключению возмущающих факторов микрогравитации с помощью технологических и аппаратных средств.

-В ходе экспериментов желательно регистрировать значения остаточных линейных и вращательных микроускорений (их амплитуд, частот, направлений), в месте расположения установки (кристаллизатора).

-Получить образцы монокристаллов в различных микрогравитационных и технологических условиях, в том числе эталонные образцы с предельными параметрами микро- и макрооднородности структуры и свойств.

-Исследовать структуру и свойства полученных образцов и провести пробные испытания при изготовлении на их основе полупроводниковых приборов и интегральных схем.

-На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований определить условия получения на борту МЛМ PC МКС монокристаллов полупроводников эталонных образцов с предельно высокой однородностью свойств, а также реализовать в земных условиях получение аналогичных монокристаллов с параметрами структуры и свойств, близкими для образцов, полученных в космических условиях.

Первая, вторая и третья задачи решаются в ходе КЭ на борту МЛМ PC МКС, четвертая и пятая - в наземных исследованиях.
Постановщики эксперимента: Захаров Б.Г., Серебряков Ю.А., Стрелов В.И.
Страна: Россия