АО «Научно-исследовательский институт Научно-производственное объединение «ЛУЧ», Подольск, Россия:

А. В. Брацук, инженер-технолог 2-й категории, эл. почта: AVBratsuk@mail.ru
С. Ю. Ковтун, инженер-технолог, эл. почта: Semion-Kovtun@yandex.ru
Д. А. Безжовчий, инженер-технолог, эл. почта: DBezzhovchiy@gmail.com
Е. Н. Фёдоров, главный научный сотрудник, эл. почта: FedorovEN@sialuch.ru

В последние десятилетия нанотехнологии получили бурное развитие. На их основе создаются разные микроэлектронные устройства, требующие энергопитания в микро- или милливаттном диапазоне. Генера торами мощности такого порядка могут служить бета-вольтаические источники питания (БВИП), состоящие из совокупности бета-вольтаи ческих элементов (БВЭ) на основе долгоживущих радиоизотопов бета-излучения и полупроводниковых преобразователей. В представленной статье для создания единичных БВЭ в качестве источника бета-излучения был использован радиоизотоп никель-63, имеющий период полураспада 100,1 лет и среднюю энергию испускаемых бета-частиц, равную 17,4 кэВ. Преимущества никеля-63 заключаются в безопасности, технологичности, чистоте и мягкости бета-излучения, не создающего в полупроводниках критических радиационных дефектов. В качестве полупроводникового преобразователя применяли диоксид титана, характеризующийся проводимостью n-типа и обладающий высокой радиа ционной стойкостью. Кроме того, ему свойственны относительно широкая запрещенная зона (3,0 эВ для анатаза) и простая возможность создания развитой поверхности с помощью обыкновенного электро химического анодирования. Это позволит повысить вероятность создания БВЭ с высокой удельной мощностью. Авторы синтезировали и модифицировали вертикальноориентирован ные массивы нанотрубок из диоксида титана (НТ TiO₂) и на их основе создали тонкий лабораторный образец БВЭ с использованием обогащенного (20 %) изотопа никеля-63. При размерах БВЭ 20×20 мм толщиной 15–17 мкм получили напряжение холостого хода 0,3 В и плотность тока короткого замыкания 0,35 нА/см². Такие электрические параметры в сочетании с миниатюрными размерами БВЭ открывают потенциальную возможность создания БВИП с повышенной удельной (на объем) мощностью.

Благодарим Шадского Алексея Станиславовича, Ильичева Германа Леонидовича, являющихся родоначальниками направления «Бетавольтаика» в АО «НИИ НПО «ЛУЧ», Зайцева Дмитрия Александровича за проведение рентгенофазового анализа, Киселёва Дмитрия Сергеевича за проведение исследований на РЭМ, Игонину Александру Александровну за помощь в подготовке экспериментов, Галева Ивана Эдуардовича и Мокрушина Андрея Андреевича за творческий и организационный вклад в разработку. Работа выполнена в рамках проекта Единого отраслевого тематического плана Госкорпорации «Росатом» «Разработка модуля радиоизотопного источника питания для электронных устройств периодической активации».

1. Peighambardoust N. S., Asl Shahin K., Mohammadpour R., Asl Shahad K. Improved efficiency in front-side illuminated dye sensitized solar cells based on free-standing one-dimensional TiO₂ nanotube array electrodes // Solar Energy. 2019. Vol. 184. P. 115–126.
2. Шабанов Н. С., Исаев А. Б., Оруджев Ф. Ф., Мурлиев Э. К. Преобразование солнечного света в ячейках с сенсибилизи рованным красителем на основе модифицированных кобальтом и иттрием нанотрубок TiO₂ // Письма в ЖТФ. 2018. Т. 44, № 2. С. 42–47.
3. Lashkov A. V., Fedorov F. S., Vasilkov M. Y., Kochetkov A. V. et al. The Ti wire functionalized with inherent TiO₂ nanotubes by anodization as one-electrode gas sensor: A proof-of-concept study // Sensors and Actuators B: Chemical. 2020. Vol. 306. P. 127615.
4. Abe H., Kimura Y., Ma T., Tadaki D. et al. Response characteristics of a highly sensitive gas sensor using a titanium oxide nanotube film decorated with platinum nanoparticles // Sensors and Actuators B: Chemical. 2020. Vol. 321. P. 128525.
5. Zhou J., Guo M., Wang L., Ding Y. et al. 1T-MoS2 nanosheets confined among TiO₂ nanotube arrays for high performance supercapacitor // Chemical Engineering Journal. 2019. Vol. 366. P. 163–171.
6. Bratsuk A. V., Bezzhovchiy D. A., Kovtun S. Y., Kiselev D. S. et al. Development of a betavoltaic cell based on TiO₂ nanotubes and radioisotope Ni63 // Conference of Russian Young
Researchers in Electrical and Electronic Engineering. IEEE. 2022. P. 938–941.
7. Ma Y., Wang N., Chen J., Chen C. et al. Betavoltaic enhancement using defect-engineered TiO₂ nanotube arrays through electrochemical reduction in organic electrolytes // ACS applied materials & interfaces. 2018. Vol. 10, No. 26. P. 22174–22181.
8. Zhang Q., Chen R., San H., Liu G. et al. Betavoltaic microbatteries using TiO₂ nanotube arrays, 2015 Transducers – 2015 // 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), New York. IEEE. P. 1909–1912.
9. Chen C., Wang N., Zhou P., San H. et al. Electrochemically reduced graphene oxide on well-aligned titanium dioxide nanotube arrays for betavoltaic enhancement // ACS applied materials & interfaces. 2016. Vol. 8, No. 37. P. 24638–24644.
10. Краснов А. А., Леготин С. А. Достижения в области разработки бета-вольтаических источников питания (обзор) // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 4. С. 5–22.
11. Ge M. Z., Cao C. Y., Huang J. Y., Li S. H. et al. Synthesis, modification, and photo/photoelectrocatalytic degradation applications of TiO₂ nanotube arrays: a review // Nanotechnology Reviews. 2016. Vol. 5, No. 1. P. 75–112.
12. Mor G. K., Varghese O. K., Paulose M., Shankar K. et al. A review on highly ordered, vertically oriented TiO₂ nanotube arrays: Fabrication, material properties, and solar energy applications // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2006. Vol. 90, No. 14. P. 2011–2075.

13. Chen Q., Xu D. Large-scale, noncurling, and free-standing crystallized TiO₂ nanotube arrays for dye-sensitized solar cells // The Journal of Physical Chemistry C. 2009. Vol. 113, No. 15. P. 6310– 6314.
14. Fang D. et al. Effect of heat treatment on morphology, crystalline structure and photocatalysis properties of TiO2 nanotubes on Ti substrate and freestanding membrane // Applied Surface Science. 2011. Vol. 257, No. 15. P. 6451–6461.
15. CITY LABS : Каталог продуктов компании «City Labs». — URL: https://citylabs.net/products/.
16. Баранов Н. Н., Мандругин А. А. Принципиально новый источник электрического питания многофункционального назначения с рекордной длительностью непрерывной работы // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2019. № 1. С. 82–99.