Ученый совет по нанотехнологиям

«Вот если бы был лучше мелкоскоп, который в пять миллионов увеличивает, так вы изволили бы увидать, что на каждой подковинке мастерово имя выставлено: какой русский мастер ту подковку делал». Этими словами лесковского Левши начал свою презентацию руководитель Центра коллективного пользования «Наноструктуры» при Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова чл.-корр. РАН Александр ЛАТЫШЕВ на заседании ученого совета по нанотехнологиям.

Ученый иронически подчеркнул, что во фразе «первого русского нанотехнолога» обозначены сразу три проблемы обеспечения современных исследований – необходимость диагностической, измерительно-приборной базы и сертификации. Такой подход особенно важен для операций с объектами, размеры которых сравнимы с атомными. Ведь, с одной стороны, на таких размерах физико-химические свойства объектов уже определяются законами часто не классической, а квантовой механики, а с другой – они могут меняться кардинально при даже самом небольшом изменении этих размеров. На один ангстрем больше – и элемент не держится на подложке, на один меньше – и он теряет химическую активность. Именно на такие уникальные исследования наноструктурных объектов и направлена основная деятельность Центра коллективного пользования «Наноструктуры».

В ЦКП работают около 70 человек, из которых 22 студента старших курсов, 7 аспирантов, 3 доктора и 18 кандидатов наук. Центр входит в Ассоциацию ЦКП СО РАН под руководством академика Российской академии наук Рената Сагдеева. ЦКП «Наноструктуры» был создан в 2003 году и объединил три института Сибирского отделения. В Институте физики полупроводников занимаются диагностикой и технологией изготовления твердотельных наносистем. Здесь основной упор сделан на исследования принципов формирования наноструктур. Работы в институтах неорганической химии и катализа больше направлены на анализ и создание наноструктурных объектов, обладающих уникальными химическими свойствами.

Объединение институтов и использование дорогостоящей приборной базы позволяет решать огромный класс исследовательских задач. С помощью мощных микроскопов производится немало интересных наблюдений, которые приводят ученых к фундаментальным открытиям и практическим приложениям, позволяющим значительно снизить затраты на отработку технологий и понять принципы работы различных элементов электроники. Именно поэтому к диагностике материалов сегодня проявляют огромный интерес крупнейшие мировые производители электроники из США, Кореи, Германии и Израиля, с которыми в ИФП СО РАН ведутся совместные научные проекты.

На высокоразрешающих микроскопах изучается атомная структура целого класса материалов: минералы, полупроводники, катализаторы, биохимические структуры. Определяется электронный и химический состав поверхности твердых тел. При использовании комплексного метода оптической, электронной и ионной литографии создаются различные малоразмерные объекты для наноэлектроники и легко выявляются имеющиеся дефекты в кристаллических решетках и других структурах, причем, с точным определением местоположения и размера деформаций.

Много разработок в этой области связано с изучением многослойных структур на основе кремниевых пластин – очень перспективное направление для отрасли микроэлектроники, которое связано как с солнечной энергетикой, так и со значительным уменьшением энергетических потерь и стойкостью современных интегральных схем (процессоров) к внешним воздействиям. В частности, на основе кремниевой микроканальной матрицы создан оптический биосенсор для диагностики и тестирования в медицине, для экологического мониторинга или биохимического производства.

На оборудовании ЦКП «Наноструктуры» с очень высокой точностью измеряются микронные толщины пленок, создаваемых в институтах СО РАН, которые широко используются для изготовления сенсорного оборудования и приборов ночного видения. Если заказчик позволяет разрушить исследуемую пленку, сделав на ней сечение, то точность измерения возрастает до долей нанометра, и фактически определяется шероховатостями границ раздела такой пленки. Центр уже многие годы выполняет заказы Ростехрегулирования по калибровке высокоточной электронной аппаратуры. Только сверхточное, прецизионное измерение размеров создаваемых наноструктурных объектов позволяет использовать возникающие при их уменьшении новые уникальные физико-химические свойства.

Оборудование отражательной электронной микроскопии позволяет изучать поверхность материалов в сверхвысоковакуумных условиях. Кроме ИФП СО РАН, оно есть только еще в одном институте в Токио. Это единственный метод, который позволяет видеть поверхность кристалла кремния с разрешением в один атом по вертикали при температуре +1350 градусов Цельсия, когда он светится, как лампочка накаливания. Это позволяет изучать высокотемпературные процессы и дает возможность создавать совершенные наноструктуры на поверхности методом самосборки. Еще меньшие размеры структур (до 0,3 нм=3 ангстрема) измеряются на атомно-силовых и туннельных микроскопах, которые при помощи тончайшей иглы «зондируют» исследуемую поверхность. За эффективное использование атомно-силовых микроскопов в 2007 году аспирантка ЦКП Екатерина Родякина получила международную премию, а полученный через такой микроскоп снимок снискал звание лучшей научной фотографии года.

Другим, теперь уже классическим методом исследования поверхности стали сканирующие электронные микроскопы, которые сегодня можно встретить во многих институтах. На них удобно исследовать целиком большие пластины в том виде, в котором они используются для изготовления электронного оборудования. Новое направление использования электронного пучка сканирующих микроскопов – литография, с помощью которой на пластинах вытравливают участки с любой геометрией размерами до 20 нм. Этот метод используется для изготовления оптоэлектроники, элементов памяти и нанотранзисторов, которые обещают стать основой элементной базы вычислительной техники XXI века.

Ученые в ЦКП «Наноструктуры» разработали нанотранзистор, пропускающий минимальную порцию электрического тока – единичные электроны. Это открытие может стать настоящим прорывом в снижении энергозатрат и увеличении скорости обработки информации. На сегодняшний день такой транзистор работает пока только при очень низких температурах, однако опыты показали, что есть возможность изменить условия его работы, повышая температуру вплоть до комнатной. Доклад на эту тему, сделанный студентом 5-го курса ФФ НГУ Андреем Шевыриным в конце прошлого года, получил первое место в секции «Наноэлектроника» на Международном конкурсе «Роснанотех».

Мария ШКОЛЬНИК

На снимке: лучшая научная фотография года