Нановселенная: такую тему в этом году предложили молодые ученые ИФП СО РАН для традиционных экскурсий ко Дню российской науки, когда двери лабораторий открыты для школьников, студентов, взрослых, интересующихся исследованиями.
У «экскурсоводов», сотрудников института, стояла непростая задача: рассказать о своей работе — ежедневных «путешествиях» в наномир — весьма требовательной аудитории. В гости пришли старшеклассники, школьники среднего звена (6-й, 7-й класс), взрослые ― популяризаторы науки, преподаватели Новосибирского государственного университета, педагоги школ и сотрудники институтов Сибирского отделения РАН.
Мероприятие проводилось в рамках Десятилетия науки и технологий.
Фото Владимира Трифутина, Надежды Дмитриевой
Среди посетителей термостатированного корпуса были две школьницы из Нижегородской области — призеры всероссийского конкурса «Наука и вдохновение Антарктиды», организованного Новосибирским региональным отделением Русского географического общества к 180-летию РГО. Восьмиклассница Агата Лысова и десятиклассница Полина Сердюк приехали в Новосибирск снимать научное кино.
Маршруты в двух корпусах института были построены так, чтобы показать, во-первых, установки, с помощью которых можно создавать собственный наномир, во-вторых, оборудование для проверки качества новых объектов, а в-третьих, продемонстрировать готовые материалы и представить разные направления работы ИФП СО РАН, включая нетрадиционные — мощные газовые лазеры и использование холодной плазмы.
Создаем свой наномир: самые чистые материалы на Земле
В лабораторно-технологическом корпусе маршрут для школьников 7-го класса 130 лицея г. Новосибирска пролегал через молодежную лабораторию физики и технологии гетероструктур на основе элементов IV группы.
Ее сотрудники: заведующий лабораторией кандидат физико-математических наук Вячеслав Тимофеев, старший научный сотрудник кандидат физико-математических наук Тимофей Перевалов, аспирант Илья Скворцов рассказали о принципах молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), подчеркнув, что у истоков этой технологии в нашей стране стояли ученые ИФП СО РАН: основатель института академик Анатолий Васильевич Ржанов и профессор Сергей Иванович Стенин.
«Эпитаксия происходит от двух греческих слов “эпи” — на и “таксис” — порядок. В этом процессе растущий слой повторяет кристаллографическую ориентацию подложки. В камерах установок молекулярно-лучевой эпитаксии сверхвысокий вакуум. Здесь мы создаем кристаллические структуры, которых не существует в природе, такие как квантовые точки, квантовые ямы и нитевидные кристаллы. Они обладают новыми оптическими и электронными свойствами. На основе этих структур можно реализовать новые устройства полупроводниковой нано- и оптоэлектроники», — подчеркнул Вячеслав Тимофеев.
Вячеслав Тимофеев |
Тимофей Перевалов |
Илья Скворцов, фото Надежды Дмитриевой
Его молодежная лаборатория специализируется на росте материалов германий-кремний-олово, с целью создания светоизлучающих и фотоприемных устройств, работающих в инфракрасном диапазоне. Последние востребованы при разработке фотонных интегральных схем, призванных ускорить передачу и обработку данных.
Принцесса на горошине
А в термостатированном корпусе института экскурсанты встретились с установкой МЛЭ, где выращиваются структуры на основе нитрида галлия. Они используются, в частности, в синих светодиодах, в транзисторах для силовой и СВЧ электроники: быстрых зарядках, мощных источниках питания, преобразователях напряжения, системах связи 5 и 6G.
Денис Милахин, фото Владимира Трифутина
«Расскажу упрощенно про технологический процесс: мы растим тонкую пленочку нитрида галлия на сапфировой, кремниевой и карбид-кремниевой подложках. Помещаем подложку в установку и сначала отжигаем (нагреваем) для того, чтобы очистить. В атмосферном воздухе на пластину попадает масса всего: углеродные соединения, пары воды.
А для полупроводниковых материалов, для электроники загрязнения — это очень плохо. Полупроводники можно сравнить с принцессой на горошине, которая даже через слои пуховых перин чувствовала одну маленькую горошину. Так и здесь: если взять миллион атомов, и один из них будет чужой, неправильный, нашим пленкам это не понравится, они не будут работать.
Потом на очищенную, нагретую подложку летят атомы галлия и азота — получается пленочка нитрида галлия. Чтобы в установке соблюдать чистоту, работают откачные насосы и стоит криопанель, заполненная очень холодным жидким азотом — на нее прилипают, “вмораживаются” посторонние, ненужные нам атомы», — объяснил шестиклассникам заведующий молодежной лабораторией аммиачной молекулярно-лучевой эпитаксии GaN гетероструктур на подложках кремния для силовых и СВЧ-транзисторов кандидат физико-математических наук Денис Милахин.
Мир гибкой электроники и умной одежды
В лаборатории нанотехнологий и наноматериалов школьники увидели гибкие электронные компоненты. Их ученые напечатали на специальном принтере, заправив его композитными графеновыми чернилами, разработанными научной группой ИФП СО РАН.
Напечатанные сенсоры, антенны, элементы памяти можно носить на коже, изгибать, мять, и они не теряют своих свойств.
«Это носимая электроника, мы двигаемся в направлении персонализированных датчиков и умной одежды, которая будет считывать информацию, анализируя, к примеру, компоненты пота, температуру тела, другие характеристики. Наши структуры можно печатать на искусственной и натуральной ткани», — рассказал научный сотрудник кандидат физико-математических наук Артём Иванов.
Он продемонстрировал работу гибкого сенсора дыхания, который реагирует на составляющие выдыхаемого воздуха и сенсоров, чувствительных к компонентам пота — глюкозе, гормонам стресса.
Артём Иванов
Графеновые чернила, образцы гибких электронных компонентов, фото Надежды Дмитриевой
«Можно сделать датчик, не требующий прокола кожи, но определяющий уровень глюкозы в крови по ее содержанию в поте. Другое интересное направление — мониторинг деятельности нервной системы по выделившимся вместе с потом гормонам», — добавил Артём.
Оценить наномир и его составляющие: хорошо ли получилось?
Проверку качества новых материалов можно проводить на разных приборах. Экскурсанты познакомились с традиционным и сравнительно экзотическим оборудованием — некоторые приборы представлены только в ИФП СО РАН.
Посетители института увидели фотоэлектронный спектрометр с угловым разрешением (ФЭСУР), спектрометр комбинационного рассеяния света, совмещенный с атомно-силовым микроскопом, сверхвысоковакуумный отражательный электронный микроскоп (СВВ ОЭМ), атомно-силовой микроскоп, зондовую станцию с параметрическим анализатором полупроводниковых приборов.
Все самое важное лежит на поверхности
Диагностика наномира в основном затрагивает поверхность материала или очень тонкую пленку, не слишком углубляясь в объем. Почему?
«Поверхность есть в любом кристалле: работа большинства полупроводниковых приборов, включая миллиарды транзисторов в процессорах ваших телефонов и компьютеров, определяется именно свойствами поверхности, а не объема кусочка кремния», — пояснил старший научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Владимир Голяшов, демонстрируя фотоэлектронный спектрометр с угловым разрешением.
Он объяснил суть работы установки: «Всё зашифровано в названии: “фото” (то есть свет) плюс “электронная” (электроны) плюс “спектроскопия” (спектр –это зависимость). Грубо говоря, мы считаем количество электронов с определенной энергией. Здесь мы “светим” на образец рентгеновскими фотонами. Электроны в атомах поглощают свет и выходят в вакуум. Энергия вылетевших электронов строго зависит от того, на каком атоме и в каком химическом окружении они “сидели”. Записывая спектр — распределение электронов по энергиям, мы понимаем, в каком химическом состоянии находятся атомы на поверхности образца».
Владимир Голяшов, фото Владимира Трифутина
Владимир Голяшов подчеркнул, что фундаментальные исследования электронной структуры поверхности связаны и с прикладными задачами. Сейчас сотрудники лаборатории с помощью фотоэлектронной спектроскопии изучают условия роста и процессы, происходящих на поверхности так называемых мультищелочных фотокатодов. Это в перспективе поможет улучшить технологию производства российским заводам, выпускающим фотоэлектронные умножители для приборов ночного видения.
Заставить поверхность меняться, «гоняя» атомные ступени
В лаборатории нанодиагностики и нанолитографии экскурсантов ждала встреча со сверхвысоковакуумным отражательным электронным микроскопом. Как пояснил младший научный сотрудник лаборатории Сергей Пономарев, недавно защитивший кандидатскую диссертацию, такой микроскоп — единственный в мире.
Сергей Пономарев, фото Александра Мокерова
В электронном микроскопе, как и в оптическом, освещают поверхность образца, но не светом, а пучком электронов. Если их ускорить, уменьшится длина волны, и направив пучок таких быстрых электронов на кристалл, можно узнать, как устроена его кристаллическая решетка.
«Наш микроскоп — отражательный, но обычно в науке используются просвечивающие электронные микроскопы. Мы же направляем пучок электронов не вертикально, а под малым углом. Глубина проникновения пучка — всего около одного нанометра. Так обеспечивается высокая чувствительность к поверхности. Мы можем визуализировать отдельные атомные ступени на кристалле и увидеть, например, как растет кристалл послойно. Можем и менять облик поверхности, управляя атомными ступенями, а значит программировать свойства материала с самого начала», — пояснил Сергей.
Отвечая на вопросы, он объяснил, почему именно кремний стал основой электроники, а не его более «шустрый» (в плане подвижности носителей заряда) сосед по таблице Менделеева — германий. «У кремния есть важная особенность — его оксид. Если мы вынесем кристалл кремния на воздух, его поверхность покроется тончайшим, но очень прочным слоем окисла. Это изолятор, который защищает материал от внешних воздействий. А у германия оксид непрочный — пальцем проведешь, и он рассыпался. А изолятор нужен не только для защиты полупроводника, но и для изготовления транзисторов», — поделился ученый.
Слушатели экскурсии, фото Александра Мокерова
В завершение рассказа гости узнали, что сверхвысоковакуумный электронный отражательный микроскоп — ламповый, в прямом смысле слова. «Сделан микроскоп еще в 1960-х годах, естественно никаких гарантийных обязательств уже нет, и это развязывает нам руки: мы можем его менять как угодно, модернизировать под свои задачи. Минус только один — такие лампы больше не выпускают. Недавно партию нашли в частной коллекции в Санкт-Петербурге.
Поэтому мы создаём новый микроскоп, он будет работать на полупроводниковой электронике, у него больше рабочая камера, больше испарительных ячеек», — рассказал о планах Сергей.
«Рука», которая трогает атомы
Иной принцип работы у атомно-силового микроскопа: здесь поверхность не освещается, а зондируется. С прибором экскурсантов познакомил младший научный сотрудник лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур Александр Комонов:
«Здесь, ребята, совсем другая штука, — начал он, указывая на атомно-силовой микроскоп. — Это как рука ученого. Картинка здесь получается не как у глаза (свет отразился — увидели), а путем ощупывания поверхности с нанометровой точностью».
Александр Комонов, фото Надежды Дмитриевой
Ученый показал кантилевер — консоль с иголочкой, на острие которой может находиться всего несколько атомов. Именно этой иголочкой прибор «ощупывает» рельеф образца. Но главное отличие от других методов — возможность не только исследовать, но даже изменять объект: «Атомно-силовой микроскоп может воздействовать на структуру, как рука человека. Или измерять токи, магнитные характеристики, подавая напряжение между иголочкой и образцом».
Александр привел простой пример, поясняющий, зачем во всем мире создают новые материалы, исследуют их свойства:
«Почему остановился рост тактовой частоты компьютерных процессоров в новых поколениях компьютеров? Технология столкнулась с физическими ограничениями свойств кремния. Чтобы двигаться дальше, нужны новые материалы. Например, в нашей лаборатории идут работы с диоксидом ванадия, который может переключаться из полупроводникового состояния в металлическое за 26 фемтосекунд (фемтосекунда ― десять в минус пятнадцатой степени секунды). Или же с частотой более 38 000 терагерц, что почти в миллион раз быстрее самых передовых компьютеров. Поэтому на основе диоксида ванадия можно пытаться создать элементную базу для более быстрых компьютеров будущего».
Снять «отпечатки пальцев» материалов
«Не будет лукавством сказать, что это уникальный прибор, по крайней мере, в России. Это спектрометр комбинационного рассеяния света, совмещённый с атомно-силовым микроскопом», — начал свой рассказ старший научный сотрудник молодежной лаборатории ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики кандидат физико-математических наук Илья Милёхин.
Чтобы объяснить суть комбинационного рассеяния света, ученый использует простую аналогию. «Представьте, вы светите красным лазером в зеркало. Отражается красный луч — это упругое рассеяние. Но оказывается, существует и неупругое рассеяние: крошечная доля света рассеивается с чуть-чуть другой длиной волны — зеленоватой, синеватой. Если проанализировать такой неупругий свет, можно однозначно сказать, что за материал перед вами. Это своего рода "отпечаток пальца" любого вещества — твердого, жидкого, газообразного, органического», — пояснил Илья.
Илья Милёхин, фото Александра Мокерова
Но возможности установки этим не ограничиваются. Спектрометр комбинационного рассеяния света позволяет изучать объекты микромасштаба, а соединение с атомно-силовым микроскопом открывает дверь в мир наноразмеров — в десятки тысяч раз меньше человеческого волоса.
«Звучит сложно, а на практике тривиально, — успокоил Илья. — Вот здесь ставится образец, а с другой стороны подводится иголочка. С её помощью мы получаем карту рельефа (морфологию) сверхмаленьких объектов».
Оказалось, если совместить оптику спектрометра и модифицированную иголочку, можно выполнить оптическую спектроскопию для объектов, размером в несколько нанометров.
В лаборатории работают с полупроводниковыми материалами: слоистыми структурами, квантовыми точками, нанопроволоками. Илья показал результат исследования на примере сульфида молибдена — слоистого материала, похожего на графен: «Мы сформировали набор золотых нанодисков, а потом перенесли на них тончайшую плёночку сульфида молибдена. Как ткань постелили — образовались складки. Нам удалось выполнить картирование: иголочка атомно-силового микроскопа прошла по каждой точке, записала спектры, и мы визуализировали, как распределены свойства в этом нанообъекте».
Прозондировать работоспособность
Проверку функциональных свойств материалов ведут на зондовой станции с параметрическим анализатором полупроводниковых приборов.
«Здесь мы измеряем электрофизические свойства новых приборов: вольт-амперные характеристики, ёмкость, сопротивление. По сути, смотрим, как прибор ведет себя под напряжением», — рассказал старший научный сотрудник молодёжной лаборатории ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Дамир Исламов.
Он показал на приборный столик, где лежала пластина с тестируемыми чипами — прототипами энергонезависимой памяти нового типа. «Видите эти маленькие иголочки на экране? Это зонды из вольфрама. Их диаметр — всего 5 микрон. Для сравнения: человеческий волос — 100 микрон. То есть наши иголочки в 20 раз тоньше волоса. Они аккуратно подводятся к контактным площадкам прибора, размером 300х300 микрон. Сам же прибор — элемент памяти, который мы тестируем, — ещё меньше, всего 600 нанометров».
Дамир Исламов (слева)
Тестируемый образец на экране, фото Надежды Дмитриевой
Ученый объяснил, чем новая память лучше привычной флэш-памяти в смартфонах: «Память на эффекте резистивного переключения, которую мы тестируем, во-первых, энергонезависима (сохраняет данные при выключении питания), а во-вторых, выдерживает до миллиарда циклов. Если её непрерывно перезаписывать, она проработает дольше привычной флэш-памяти».
Немного экзотики: мощные газовые лазеры
В лаборатории мощных газовых лазеров экскурсантов ждало знакомство с миром больших энергий и точной оптики. Молодой ученый, инженер-исследователь ИФП СО РАН, аспирант НГУ Глеб Шевченко начал с основ: что нужно, чтобы получить лазерное излучение: «Первое — активная среда: в лазерных указках — это маленькие полупроводниковые кристаллы. Но для больших мощностей и определенных свойств излучения используют другие среды, например, газовые. Возбуждение среды происходит под действием газового разряда.
Второе — резонатор, то есть совокупность оптических элементов, которые обеспечивают многократное усиления излучения за счет прохождения через активную среду и формирование направленного, монохроматического оптического пучка».
Глеб Шевченко
фото Надежды Дмитриевой
Глеб показал активный элемент — отпаянную керамическую трубку: в ней при подаче на электроды импульсов высокого напряжения зажигается газовый разряд. Он разогревает медь внутри трубки выше температуры испарения (около 1250 градусов), и пары меди, выступающие в роли активной среды, генерируют желто-зеленое лазерное излучение.
Третий важный элемент — мощные источники питания и коммутаторы.
«Для эффективной работы лазера нужен мощный и быстрый переключатель из высокого напряжения в низкое. Мы разрабатываем коммутаторы, которые переключают напряжение в десятки киловольт за время порядка наносекунды (это 10 в минус девятой секунды!) с частотой до 500 килогерц», — отметил ученый, демонстрируя коммутатор.
Плазма, которая лечит
Другое направление работы лаборатории: создание источников холодной плазмы. Экскурсантам удалось не только увидеть, но даже потрогать плазменные струи. «Не бойтесь, это безопасно», — успокоил группу заведующий лабораторией доктор физико-математических наук Дмитрий Закревский.
Он объяснил, что плазма — это ионизированный газ, состоящий из атомов, ионов, нейтральных молекул. В отличие от плазмы в газоразрядных лампах или, тем более, на Солнце и в термоядерных реакторах, здесь она холодная.
«Мы подобрали такие условия, когда струя холодной плазмы генерирует активные частицы, которые взаимодействуют с биологическими объектами и влияют на их жизнедеятельность», — добавил заведующий лабораторией.
Главная задача, над которой работает группа, — применение плазмы в лечении онкологии.
«Плазменная струя в определенных режимах избирательно вызывает гибель раковых клеток и подавляет метастазирование, при этом не повреждая здоровые клетки», — подчеркнул ученый.
Дмитрий Закревский (справа) |
Холодная плазма, |
«После похода в институт чувствую гордость за науку и молодых ученых»
День российской науки в Институте физики полупроводников отметили почти 70 человек: кому-то больше всего понравилась холодная плазма, кого-то впечатлили установки, других личность ученого.
«Я человек далёкий от точных наук: я смотрела на людей. И меня поразило, что за "непонятными" и суперсложными механизмами стоят живые и очень классные люди, которые любят свое дело, разбираются в нем. И это дивный новый мир! Очень понравилось у Ильи в лаборатории. Общение было живое и человеческое. Вообще все экскурсоводы ― большие молодцы. После похода в институт чувствую гордость за науку и молодых ученых. Укрепилась вера в будущее! Как бы пафосно это ни звучало», — отметила Александра, преподаватель русского языка.
На сайте новосибирского отделения Российского географического общества опубликован рассказ о визите нижегородских школьниц в новосибирский Академгородок, где они делятся впечатлениями об экскурсии.
«Посещение Института физики полупроводников — это взгляд в микромир, в то, что составляет основу всего. Понимание того, как работают эти огромные и сложные установки для изучения мельчайших частиц, вызывает трепет. Мне кажется, это фундамент, на котором строится наше будущее», — поделилась Полина Сердюк.
«Институт физики полупроводников: сверхмощные спектрометры, термостат охлаждает до минус 270 градусов Цельсия — мозг взрывается от мысли, как все это работает!», — добавила Агата Лысова.
Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото Надежды Дмитриевой, Александра Мокерова, Владимира Трифутина
