Восемнадцать лет назад ученые Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН предложили уникальную нанотехнологию, позволяющую создавать из полупроводниковых пленок массивы трехмерных наноструктур. «Наука в Сибири» поговорила с автором этой технологии заведующим лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур доктором физико-математических наук, профессором Виктором Яковлевичем Принцем о том, что сегодня представляют собой нанотехнологии и насколько они развиты в нашей стране.

— О нанотехнологиях в России говорят далеко не первый год. Почему, несмотря на старания правительства, прорыва не произошло?

— Лет десять назад наша страна решила заняться этой сферой, вложила в нее деньги, но в значительной степени это была «ура-кампания». Денег было не так много, но, что страшнее, постоянно происходила грубая подмена понятий: за «нано» выдавались объекты, которые были в сотни,тысячи раз больше нужных размеров. В большинстве случаев это были нанотехнологии низкого уровня: добавление нано-, а порой и микрочастиц в полимеры. Человечество использовало такие методы еще при формировании цветных стекол в Древнем Египте, витражей — в Средневековой Европе. До лабораторий деньги просто не доходили. Оборудование поставлялось в университеты, многие из которых не были готовы к серьезным технологическим исследованиям. А тем временем в СШA, Европе, Японии, Китае, Южной Корее шла целенаправленная систематическая работа в условиях конкуренции — в итоге сегодня область высоких нанотехнологий уже вносит большой вклад в их экономику. Например, выпуск только одного типа устройства: флэш-памяти на 520 GB, приносит компании Samsung Electronics 10 миллиардов долларов в год.

— И насколько сильно наше отставание от мировых достижений?

— Думаю, что в области высоких нанотехнологий оно составляет более пятнадцати лет, и это серьезная проблема. Еще немного, и такое положение дел всерьез скажется на технологическом суверенитете и безопасности страны, медицине и многих других сферах. Мы не имеем права отстать на десятилетия в развитии нанотехнологий. Необходимо изменить отношение к технологиям.

Наш Институт физики полупроводников СО РАН — лидер среди академических институтов страны в области нанотехнологий. Но даже здесь при докладах и отчетах, посвященных, например, разработке фотоприемников или новых наноматериалов, можно услышать вопрос: «А где у вас физика полупроводников?». Удивительно, но в стране нет и институтов, в названии которых было бы слово «технологии» и которые бы реально за них отвечали. Для сравнения, в США таких больше сотни, причем среди этих институтов есть такие гиганты, как, например, Massachusetts Institute of Technology.

У России есть большие успехи в фундаментальных областях физики, химии, биологии, но нет интереса к систематическому эволюционному развитию технологий, а ведь без этого многие результаты фундаментальных исследований не могут быть внедрены. Анализ российской науки показывает: темы российских исследований мало пересекаются с тем, что исследуют на Западе: руководители проектов в нашей стране часто работают над задачами, которыми занимались в прошлом веке, 30—50 лет назад, оставляя современные темы за бортом.

— Кто должен определять эти темы?

— У нас в стране они должны задаваться государством. Мне кажется, на сегодняшний день лучше всего это делает Российский научный фонд. В Фонд фундаментальных исследований технологии практически не входят, зато недавно появился новый Фонд перспективных технологий — надеюсь, он не будет «срывать яблоки, не поливая яблоню», а предоставит возможность целенаправленной систематической работы ведущим коллективам страны.

В истории нашей страны были времена, когда государство бралось за решение жизненно важных проблем, происходил резкий скачок в развитии. Не знаю, возможно ли это в современных условиях. Требуется систематическая работа, эволюционный рост. К тому же трудности связаны не только с недостаточным финансированием и недостатком оборудования: настоящих технологов, людей с определенным складом ума, чрезвычайно мало, а на их обучение (уже после окончания университета) нужно потратить лет пять. Они должны обучиться работать на высокотехнологичном оборудовании, чувствовать технологические нюансы.

— С какой скоростью вообще развиваются нанотехнологии? Каковы области их практических применений?

— Например, чтобы уменьшить размеры транзисторов в два раза, такие гиганты, как Intel, тратят пять лет. Их результаты потрясают — на подложке одновременно формируются триллионы высококачественных нанотранзисторов. На каждого жителя Земли в год производятся пять миллиардов транзисторов. У нанотехнологий очень широкое применение: безопасность, медицина, транспорт, экология. 

Сейчас уже созданы интеллектуальные устройства, сверхбыстрые компьютеры, новые наноматериалы. Например, миниатюрная флеш-память (2 ТБ), объем памяти которой сравним с памятью простого компьютера. Разработаны сверхчувствительные наносенсоры и гибкая носимая электроника, предназначенные для медицинских, аэрокосмических приложений и «Интернета вещей». Уже продаются дисплеи и телевизоры с ультравысокой разрешающей способностью и эффективностью, которые используют квантовые точки для создания более ярких цветов.

Для многих применений созданы сверхгидрофобные, самоочищающиеся, антиотражающие, антимикробные и адгезивные поверхности. Разработаны новые технологии секвенирования генов, нанокапсулы для адресной доставки лекарств, материалы для регенеративной медицины, интенсивно ведутся работы по копированию мозга и формированию нейроморфных обучаемых сетей. Спектр уже созданных и разрабатываемых продуктов нанотехнологии огромен — необходимо серьезное отношение к этой области.

— Расскажите о своей технологии, в чем она заключается?

— Как и многие разработки в России, она была создана не благодаря, а вопреки. Технология позволяет формировать трехмерные структуры — журнал Science в свое время написал, что она «выкатилась из Сибири». С ее помощью можно формировать структуры и приборы, которые нельзя сформировать другими технологиями. У нее есть своя ниша.

Кратко о сути. Исходными у нас являются многослойные структуры: например, содержащие три слоя из разных полупроводников. Первым на подложке располагается жертвенный слой, а когда формируется второй и третий, их атомы, под действием межатомных сил, располагаются точно над атомами предыдущего слоя. Это происходит несмотря на то, что второй и третий уровни формируются из разных материалов, у которых в свободном состоянии атомные решетки имеют разные размеры. Если расстояние свободного состояния атомов изначально больше — пленка сжимается, если меньше — растягивается. Когда жертвенный слой отсоединяется, остальные стремятся вернуться в исходное положение — возникает момент сил, и пленка сворачивается. 

Когда эти эксперименты только начинались, никто не верил, что таким образом можно создать, например, трубку диаметром меньше микрона. Но мы смогли разработать технологию отсоединения пленки толщиной всего в два атомных слоя — она была в тысячу раз тоньше, чем нам предсказывали. Соответственно, и минимальный диаметр трубки был равен всего двум нанометрам, тоже почти в тысячу раз меньше предсказанного.

В действительности этот метод включает много технологических операций. Со временем мы научились создавать целый класс структур: спирали, гофрированные пленки, полусферы и так далее. У каждой из них есть свои особенности и свои приложения.

— Эта технология уже нашла применение?

Да, то, что сделано с ее помощью, нельзя сделать по-другому, потому что слои выращиваются с необычайной точностью, а диаметр полученных структур невероятно мал. Например, мы смогли создать тончайшие иглы для инъекций в биологии, сенсор магнитного поля и ряд электромагнитных метаматериалов. Но на Западе с помощью этой же технологии делают сотни разных вещей: маленький трубчатый лазер, медицинский чип, нанороботов… огромное разнообразие разработок. За 18 лет она сформировала целое направление в разработке и изготовлении наноприборов и наноматериалов. Результаты изложены в нескольких тысячах статей, индексируемых WoS, более чем в 30 обзорах, в многочисленных учебниках. Международные конференции (Япония, Германия), а также специальные секции (США) были посвящены только данной технологии. К сожалению, в России применять наш метод непросто: это довольно высокая полупроводниковая технология. 

Впрочем, недавно нашей технологией сворачивания, с помощью технологии 3D-печати в моей лаборатории был сформирован целый ряд новых материалов, позволяющих управлять терагерцовым излучением (Scientific Reports, 2017 и Journal of Applied Physics, 2017). Это так называемые электромагнитные метаматериалы — искусственно сконструированные материалы с необычными свойствами, отсутствующими в природе. Они формируются из резонансных элементов, размеры которых меньше длины волны. Когда в них распространяется излучение резонансной частоты, вторичное излучение получается куда выше, чем у атомов и молекул привычных нам веществ. Эти разработки предназначены для многих областей: от космических систем до медицины.

— В каких вообще областях ваша технология, да и нанотехнологии в целом имеют наибольший потенциал?

— Нужно понимать, что нанотехнологии — это манипуляции с веществом на атомарном или молекулярном уровне. Их цель — создать искусственные материалы, устройства, системы, которые будут превосходить уже существующие. И это, конечно, абсолютная технология: она обеспечивает прогресс во всех известных технических приложениях, от земных до космических! Поэтому важно приложить усилия, чтобы сократить разрыв в этой области между нашей страной и мировыми лидерами. 

Если еще лет двадцать назад считалось, что рано вкладывать деньги в нанотехнологии, то теперь у них огромный экономический эффект, и на развитие отрасли в России нужно не меньше двух десятилетий. Зарубежные страны пришли первыми на рынок: они совершали много ошибок, проверяли достижимость цели, затратили огромные средства на продукты, многие из которых не пошли в продажу — их опыт дал нам понимание, во что надо вкладывать деньги. Одна из стратагем Сунь Цзы в «Искусстве войны»: выходи вторым — приходи первым. Именно это мы и должны начать делать.

Чрезвычайно важно, чтобы при развитии Академгородка было предусмотрено создание Института передовых нанотехнологий, ориентированных на наносенсоры, наноматериалы, интегральную нанофотонику, бионику, наномедицину. Должен, наконец, сработать закон неравномерного экономического развития. Я верю, что настало время экономического подъема России.

Подготовила Наталья Бобренок

Фото автора

Источник: www.sbras.info