攻克“卡脖子”技术!海仪所让海洋核心传感材料“长”出金刚石薄膜

青岛日报社/观海新闻10月26日讯  在青岛市崂山区苗岭路37号,海洋功能薄膜材料制备实验室里的机器嗡嗡作响。在这里,山东省科学院海洋仪器仪表研究所的科研人员利用热丝化学气相沉积设备,通过注入甲烷和氢气,让铌金属的表面“长”出了金刚石薄膜。

金刚石薄膜生长的过程只需要10小时,但技术的研发却经历了4年。这样一块硬币大小、毫不起眼的海洋电导率传感材料,就是温盐深传感器探头上最核心的部分,也是制约温盐深传感器国产化“卡脖子”的难题。

研发出金刚石薄膜电极材料,打破国外对核心材料的垄断

温盐深传感器(CTD)是水文气象领域最基本也是需求量最大、使用最多的传感器。目前,我国的温盐深传感器主要有两类,一类用于海洋科学研究,一类用于业务化运行。不过,无论哪一类的CTD,我国都基本依赖进口,市场份额被美国海鸟、日本亚力克、德国Sea Sun和加拿大RBR等公司垄断。

“国内在CTD传感器集成方面已经做得很强,制约CTD国产化的核心就是海洋传感材料。”海洋功能薄膜材料制备实验室团队负责人盖志刚介绍说,“目前,国内外所有厂商CTD探头上使用的都是铂电极材料。从原理上来讲,铂电极是金属材料,会在海水中产生极化效应,背景电流大,易产生噪声干扰,从而造成测量精度的下降。”

为了减小极化效应,国际上都会在铂电极材料的表面镀一层铂黑。但铂黑的结合力差,海洋高温高盐高湿的恶劣环境以及海水的不断冲刷,极易造成铂黑的损伤。盖志刚说:“为了保证监测精度,我国业务化运行的CTD一般都是半年到1年内进行一次小修,3年进行一次大修。”

与国际上使用铂电极材料不同,海仪所研发出硼掺杂金刚石薄膜电极材料。金刚石材料属于无机非金属碳材料,一方面极化效应小,可以提高测量精度,另一方面又极其坚固耐用,可机械清洗,从而提高了传感器的稳定性和寿命。

那么,这种金刚石薄膜材料是如何避免薄膜的脱落呢?盖志刚一边演示一边介绍,金刚石薄膜不是以“镀”而是以“长”的方式覆盖在铌金属表面,在热丝化学气相沉积设备中,喷气盘中喷出的甲烷和氢气先经过2400摄氏度的热丝,气体裂解,再经800度的冷却台,气体冷凝沉积在基片上形成核,并不断以岛状的形状开始生长,最终成膜。

“过程、道理很容易说,但技术其实很复杂。” 盖志刚介绍,金刚石薄膜传感技术是海仪所联合国际知名金刚石领域专家姜辛教授多年研究的成果。

基于新材料,研制出可媲美国外同类产品的海洋盐度传感器

姜辛毕业于德国亚琛工业大学,师从德国著名的科学家Peter Grünberg 教授,后者于2007年获得诺贝尔物理学奖。30多年来,姜辛一直致力于金刚石薄膜生长设计与应用研究,获得多项创新性成果,在相关领域处于国际领先地位。如今,姜辛除了是德国锡根大学表面技术与材料工程研究所所长、C4级(德国最高级别)终身讲座教授外,还是海仪所的特聘教授。

2016年,经海仪所牵头,盖志刚与姜辛相识。把姜辛教授的金刚石薄膜技术引进国内,应用到温盐深传感器上,以此打破国外对海洋盐度传感材料和传感器市场的垄断,正是海仪所的机遇和目标。

通过引进姜辛教授,海仪所结合在海洋传感设备研发中的技术积累和德国锡根大学在金刚石薄膜传感技术领域的优势,联合开展硼掺杂金刚石薄膜电极的海洋盐度传感器联合研发、测试及示范应用。经过4年研发攻关,近日,海仪所研制出国际首台硼掺杂金刚石薄膜电极海洋盐度传感器。

据了解,硼掺杂金刚石薄膜电极海洋盐度传感器不仅实现了海洋核心传感材料的攻关,而且在薄膜制备与表面功能化关键工艺、电导池核心传感器件设计与制备、信号采集与处理电路设计及海洋传感特性优化等关键技术方面取得突破,其测量精度达±0.005mS/cm,整体性能达到国际先进水平。

“把最核心的技术牢牢掌握在自己手里,才不会在风云变幻的时代环境下受制于人。”在海洋功能薄膜材料制备实验室里,盖志刚指着传感器旁边或方形或镂空的金刚石薄膜材料介绍,金刚石薄膜传感技术和硼掺杂金刚石薄膜电极海洋盐度传感器的研发成功,将有效解决我国海洋核心传感材料和传感器受制于人的局面,满足我国在海洋环境监测、海水养殖与资源开发、海洋国土安全保障等领域的技术需要。(青岛日报/观海新闻记者 李勋祥)

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