ЭРА НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Прошлое, настоящее и будущее связаны воедино в окружающем мире, и часто то, что казалось фантастикой еще несколько десятилетий назад, предстает как непреложная истина, реальность нашего времени.
Ю. Александрова, «НВС»
Сбывшееся пророчество
Выступая в 1959 году перед своими коллегами по американскому Физическому обществу, Ричард Фейнман предсказал, что в ближайшем будущем техническая цивилизация вступит в новый этап, центральным звеном которого станет управление объектами сверхмалых размеров, а точнее — на атомарном и молекулярном уровнях. Пророчества Фейнмана выглядели несерьезной фантазией и соответствующим образом воспринимались. Однако уже сейчас большинство его пророчеств сбылось. Близка к реализации и его идея «разместить все 24 тома Британской энциклопедии на кончике иглы».
Впечатляет путь, пройденный полупроводниковой технологией за последние 50 лет. Если ранее на одном квадратном сантиметре располагался всего один транзистор, то теперь — сотни миллионов! Освоение миллиметровых, затем микронных, а в последние годы и нанометровых размеров (на одном нанометре можно расположить всего 10 атомов водорода) позволило не только увеличить плотность и быстродействие транзисторов, но и получить новые материалы и приборы с фундаментально новыми свойствами и характеристиками. Предсказанный Фейнманом этап действительно наступил. В лабораториях ученые уже умеют работать с отдельными атомами, располагать их в заданном месте и создавать различные конструкции.
На рисунке показан хорошо известный пример, когда 48 атомов железа были расположены по окружности с диаметром 7 нм на поверхности медной пленки. Внутри такого «загона» образовались стоячие волны, зарегистрированные сканирующим туннельным микроскопом. Эти волны вызваны интерференцией электронов в «загоне».
Известен целый ряд идей, макетов новых квантовых приборов, сверхчувствительных наноустройств и наноматериалов, которые должны привести к революционным изменениям практически во всех областях жизни, дело только за реализацией, а для этого необходимо развить нанотехнологию. Нанотехнология призвана понять и контролировать материю на уровне нанометров, создавать и использовать наноприборы и системы, которые проявляют фундаментально новые свойства и характеристики, вызванные нанометровыми размерами. Требования, предъявляемые к нанотехнологии, весьма жесткие. Она должна быть не только массовой и дешевой, но и высокоточной, а именно — обладать атомарной точностью.
 |
|
Главным необходимым условием для развития нанотехнологии является наличие высокотехнологического оборудования. Институт физики полупроводников СО РАН, благодаря усилиям его директоров: академика А. В. Ржанова, члена-корреспондента К. К. Свиташева, академика А. Л. Асеева сравнительно хорошо оснащен дорогостоящим оборудованием. Это установки молекулярно-лучевой эпитаксии, высокоразрешающие электронные микроскопы, установки для электронной и ионной литографии, установки плазменного травления. Именно наличие такого оборудования позволяет вести разработку и исследования квантовых наноприборов и нанотехнологий. Значительных результатов в этой области добились сотрудники лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур под руководством д.ф.-м.н. Виктора Принца.
Открывая новые возможности
Более девяти лет назад В. Принц вместе с аспирантом В. Селезневым взялись за решение принципиально новой задачи — отделить от полупроводникового кристалла один или два молекулярных слоя. «Было трудно поверить в возможность решения этой задачи. Как от большого кристалла можно отделить пленки ангстремных толщин и большой площади? Никто кроме нас не верил, что такое можно выполнить, а у наших оппонентов был целый ряд аргументов о нереальности осуществления такого процесса», — вспоминает В. Принц. Однако ученым не только удалось сделать это — используя упругие силы межатомного взаимодействия, они смогли также создать технологию формирования из отсоединяемых пленок нанообъектов самых различных форм: трубок, спиралей, колец, полусфер, периодических наногофрированных и других структур, служащих базовыми элементами в наноприборах.
 |
|
В качестве исходных берутся прецизионные структуры, создаваемые молекулярно-лучевой эпитаксией, которая способна монослой за монослоем выращивать сложные структуры из различных веществ. «Нам повезло, — считает В. Принц, — первые отсоединенные пленки были упруго напряженными и скрутились в трубки-свитки. Мы увидели в этом целое направление высокоточного изготовления самых различных наноструктур и наноприборов, так как упругие напряжения в пленках задаются разницей размеров атомных решеток пленок, то есть самой природой». В действительности, оригинальная технология включает в себя целый комплекс методов и процессов, обеспечивающих высокую точность изготовления нанообъектов и наноприборов. Это, прежде всего, методы направленного изгиба и сворачивания пленок, методы сборки, а также метод сушки и травления структур в сверхкритическом CO2. По сути, ученые имеют дело с молекулярной технологией.
«Мы впервые показали, что от полупроводниковых, диэлектрических и металлических кристаллов можно отсоединять слои толщиной до 5 ангстрем, — рассказывает мой собеседник. — Сейчас разрабатываем технологию отсоединения слоев толщиной в 1 ангстрем. Такие слои углерода, толщиной в один атом, представляют собой новую двумерную систему с целым рядом уникальных свойств, что делает ее весьма перспективной для создания углеродной наноэлектроники и нанооптоэлектроники. Мы научились управлять отсоединяемыми слоями и впервые формировать из них трехмерные нанообъекты, тем самым был совершен переход от плоского двумерного пространства в трехмерное. Движущая сила преобразований — упругое напряжение, вызванное несоответствием параметров решеток слоев. Нами была разработана технология, обеспечивающая контролируемое формирование прецизионных микро- и нанообъектов самых различных форм из любых твердых материалов — диэлектриков, металлов, полупроводников». Простейшие примеры созданных объектов приведены на рисунках. Отметим, что такие трехмерные микро- и наноструктуры невозможно сформировать какой-либо другой известной технологией. Подобные объекты обладают интересными механическими и квантовыми свойствами. Приведенные на иллюстрациях объекты настолько малы, что рассмотреть их можно только с помощью электронного микроскопа (если взять сто миллионов нанотрубок и сделать из них жгут, то диаметр этого жгута будет меньше, чем диаметр волоса).
Дотронуться до атома
В чем же преимущество пути, найденного В. Принцем и его соратниками в области нанотехнологий? Прежде всего, в высокой точности изготовления самых различных трехмерных атомно-гладких нанообъектов, достижении рекордно малых размеров. Однако требованием сегодняшнего дня является коммерциализация нанопродуктов. Для этого необходимо доработать технологию, используя высокопроизводительное оборудование, например, штамповую литографию, которая, к сожалению, отсутствует в институте, хотя она и намного дешевле уже приобретенного оборудования. Конечно же, не хватает и высококлассных нанотехнологов, отсутствует финансирование на зарубежное патентование продукции. Но удалось сохранить главное — научные школы, молодежь в институте, а, следовательно, и перспективу. Ежегодно сотрудникам лаборатории поступает более пяти предложений сделать приглашенные доклады на международных конференциях. «На Международной конференции в Германии (2003 г.) и на заседании Американского физического общества (2006 г.) были созданы специальные секции, посвященные нашей технологии. Эти секции мы открывали приглашенными докладами. Японское общество прикладной физики наградило нас за лучшую работу 2003 года».
 |
|
С использованием разработанной технологии созданы макеты прецизионных приборов, инструментов, материалов с параметрами в 100-10000 раз лучшими, чем у существующих аналогов. Это микро- и наноинструменты для биологии и медицины (микро- и наноиглы, зонды, шприцы, нейрозонды, скальпели), сверхбыстрые микро- и наносенсоры для газо- аэродинамики, сверхчувствительные наносенсоры, новые композитные наноматериалы, метаматериалы и динамические поляризаторы излучения, микро- и нанопринтеры, нанорезонаторы. Обнаружен ряд перспективных для практики явлений в изогнутых пленках-оболочках. Среди них — гигантская анизотропия сопротивления при смене направления магнитного поля, пронизывающего трубу, баллистический транспорт электронов по окружности трубки, формирование глубоких квантовых ям и барьеров в результате изгиба двухслойных пленок.
 |
|
Команда В. Принца сотрудничает с Институтом теоретической и прикладной механики. Здесь в огромных аэродинамических трубах «продувают» различные формы самолетов, ракет, другие объекты. Для измерения течений на их поверхности используют термоанемометры — приборы, основанные на зависимости теплоотдачи нагретой проволочки от скорости потока. Термоанемометры, которые до сих пор находились в распоряжении ученых, были инерционными. Их недостаток — объемная проволочка нагревается и остывает относительно медленно. Если же вместо нее использовать трубку с моментально остывающими тонкими нанометровыми стенками, можно измерять гораздо более быстрые процессы. Наноанемометр, выполненный в лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур, открывает возможность регистрации быстрых турбулентных течений, поскольку обладает быстродействием, в 100-1000 раз превышающим классические датчики.
Что нас ждет в будущем?
Говорят, что в будущем, причем не таком уж далеком, нанотехнологии станут неотъемлемой частью нашей жизни, откроют принципиально новые возможности в медицине, биологии, фармакологии, экологии. В организм человека можно будет внедрять молекулярных биороботов, способных к самовоспроизведению, замедляющих процессы старения клеток и приводящих к обновлению тканей. «Внутренние роботы» смогут самопроизвольно устранять все возникающие повреждения, включая генетические, фактически обеспечивая бессмертие. Такие же молекулярные роботы смогут работать на благо экологии, сглаживая негативные последствия влияния человека на окружающую среду и превращая отходы его деятельности в исходное сырье. В перспективе — использование нанотехнологий в области информатики, вычислительной техники, сельского хозяйства, нефтегазовой промышленности. Все это, хотя и кажется сюжетом научно-фантастического романа, может произойти уже в первой половине XXI века.
Однако уже сейчас нанотехнологии находят применение в наноэлектронике, наномеханике и медицине. На их основе можно формировать принципиально новые приборы и устройства наноэлектроники, наномеханики, сенсоры и актюаторы для медицины, биологии, безопасности. «У нас есть мечта использовать их для создания компьютеров нового поколения. Но, думаю, что быстрее это сделают за рубежом — нашу технологию подхватили более 20 институтов мира. — говорит Виктор Яковлевич. — Из-за недостаточного финансирования, которое более чем в сто раз меньше, чем за рубежом, в лаборатории созданы только макеты простых наноприборов».
 |
|
В настоящее время в лаборатории с помощью прецизионной технологии создаются новые метаматериалы — искусственные кристаллы, решетка которых состоит из нанообъектов вместо атомов. Свойства таких рукотворных кристаллов существенно отличаются от свойств природных материалов. К ним относятся, например, отрицательный коэффициент преломления, предсказанный советским ученым В. Веселаго почти сорок лет назад. Отрицательный коэффициент преломления, а также создание невидимости объектов, помещенных за экраном из метаматериалов, были продемонстрированы в 2006 году английскими и американскими учеными для гигагерцевого излучения. В лаборатории В. Принца сформированы уникальные массивы микро- и наноспиралей и других объектов, предназначенных для формирования метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления для терагерцевого излучения. В Институте ядерной физики СО РАН была показана возможность использования массива таких спиралей для управления поляризацией излучения лазера на свободных электронах. Сотрудники лаборатории уверены, что их нанотехнология позволит перейти к более коротким длинам волн, вплоть до оптических.
Требуется долгосрочная программа
Планов у сотрудников лаборатории — огромное количество. Но и сложностей немало. «Одна из причин медленного развития нанотехнологии у нас в стране — отсутствие необходимого финансирования и оборудования, — признается В. Принц. — Как только мы начинаем думать о внедрениях, о продукции, то сталкиваемся с рядом серьезнейших проблем. На разработку продукции необходимо больше финансовых средств, чем на исследования. По-видимому, догнать США во всех областях нанотехнологии уже не удастся, но в ключевых это сделать необходимо».
Особый вопрос — кадры. В нашей стране, в отличие от США, государственная многолетняя программа подготовки таких кадров просто отсутствует, а ведь это процесс не быстрый. «В ближайшие годы, — отмечает Виктор Яковлевич, — нужны будут десятки тысяч специалистов в области нанотехнологий, которые знают суть дела, могут работать с современным оборудованием, имеют способности к технологии. Наше правительство заинтересовалось, наконец, проблемой нанотехнологий в стране. Возможно, Россия сумеет занять в этой глобальной стратегически важной области достойное место».
Фото В. Новикова
стр. 8-9
|
