В День российской науки девятиклассники Новосибирска и Краснообска побывали в лабораториях Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.

Школьники узнали о возможных героях электроники будущего — графене и диоксиде ванадия, а также послушали лекцию о тепловидении. Графен может использоваться для разработки гибких и носимых устройств, диоксид ванадия — для создания искусственных нейронов, а, следовательно, и нейроморфной электроники. Ожидается, что ее энергоэффективность, многозадачность и скорость работы будут близки к функциональным характеристикам человеческого мозга.

«Слово “нейро” — значит относящийся к нервной системе. Нейроморфная электроника — вдохновлена работой человеческого мозга. Нейроны (нервные клетки) обмениваются информацией с помощью электрических импульсов, поэтому задача в том, чтобы создать искусственные нейроны, которые будут решать класс задач, на который не способна классическая электроника: например, быстро и точно распознавать изображения.

Диоксид ванадия очень хорошо подходит для создания искусственных нейронов. Его особенность в фазовом переходе: из металлической фазы с маленьким сопротивлением в полупроводниковую — с большим.

Кирилл Капогузов и школьники. Фото Надежды Дмитриевой

Если нагреть диоксид ванадия, он резко изменит сопротивление — на пять порядков, что можно использовать для изготовления новой электронной компонентной базы. Сейчас вся компьютерная логика построена на двоичном коде: переключение между 0 и 1 обеспечивают кремниевые транзисторы. Диоксид ванадия тоже способен переключаться, но намного быстрее и эффективнее кремния», — объяснил Кирилл Евгеньевич Капогузов, аспирант молодежной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН.

Кирилл Капогузов. Фото Владимира Трифутина.

Ученые ИФП СО РАН научились синтезировать высококачественные пленки диоксида ванадия (VO₂) на кремниевой подложке, что открывает путь для массового применения.

Установку атомно-слоевого осаждения для синтеза соединения показал экскурсантам младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН Евгений Кястутисович Багочюс, объяснив принцип ее работы: «К примеру, у нас есть интегральная схема, в ней масса транзисторов, сделанных по технологической норме в 90, 40, 20 нанометров. А есть ещё слой диэлектрика в 10 раз меньше: как нам гарантированно получать такие тонкие слои? Здесь на помощь приходит физический принцип атомно-слоевого осаждения: мы берём молекулу, у которой есть металлическое “ядро” и длинный органический “хвост”. Когда мы напускаем газ из этих молекул в реактор, молекулы осаждаются на подложку одним концом — металлическим, а второй торчит в воздухе и не дает осаждаться следующему слою – на подложке получается слой атомарной толщины. Затем продуваем камеру интертным газом, откачиваем и запускаем окислитель, который удаляет “хвосты”, и у нас остается тонкая пленка материала нужного состава. Так мы повторяем операцию несколько раз, чтобы получить заданную толщину».

Евгений Багочюс. Фото Надежды Дмитриевой.

Ощупать наночастицы и построить карту наноструктуры

О способах исследования и изменения на наноуровне полученных тонких пленок с помощью атомно-силового микроскопа школьники узнали от инженера лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Александра Ивановича Комонова.

«Оптический и даже электронный микроскоп по принципу работы похожи на ваши глаза — в первом случае летит поток фотонов, во втором — электронов, и на основе их взаимодействия с веществом строится картинка. Атомно-силовой микроскоп скорее похож на вашу руку, потому что он, по сути, ощупывает поверхность. Рабочий элемент микроскопа — маленький чип, его можно разглядеть невооруженным глазом, а если посмотреть на него в лупу, то мы увидим маленькую балку: из нее торчит иголочка, которую нельзя увидеть даже в оптический микроскоп. Иголочка очень острая – на конце у нее несколько атомов. Такой иголочкой прибор бороздит всю поверхность, создавая своеобразную карту высот образца.

Существует целый класс таких приборов, например, тот, на котором я работаю — сканирующий зондовый микроскоп. Он фиксирует силу взаимодействия иголочки с образцом, основываясь на кулоновском отталкивании: когда иголочка приближается близко к поверхности, то атомы поверхности отталкивают атомы иголочки, и мы фиксируем эту величину. Грубо говоря, мы движемся по ровной поверхности, встречаем “горку”, иголочка в неё упирается, атомы отталкивают друг друга, и игла отодвигается», — пояснил ученый.

Он добавил, что, сканируя поверхность образца, можно при необходимости ее изменять: «В зависимости от того, как вы умеете работать с прибором, вы можете практически не влиять на исследуемую структуру, а если нужно, наоборот, сильно воздействуете. Например, графен разрезаете иголкой атомно-силового микроскопа: получаете графеновую ленту из графеновой плоскости. В этой ленте будет уже сформирована запрещённая зона — так на исходно непригодной (для определенного класса задач) плёнке создается транзистор, где будет два уровня высокого и низкого тока».

Александр также напомнил слушателям, что атомно-силовая микроскопия - сравнительно молодой вид диагностических исследований — нобелевская премия за него была вручена в 1986 году. Метод бурно развивается, и каждые 5-10 лет прибор выходит на новый уровень: сегодня при картировании поверхности, определяются сотни характеристик, наноособенностей, таких как сопротивление, магнитные свойства, причем в каждой точке образца.

Александр Комонов. Фото Владимира Трифутина.

В заключение ученый привел сравнение для пояснения масштабов, с которыми работает микроскоп: «Если взять наши нанообъекты (кристаллики диоксида ванадия), и насыпать на срез вашего волоса, их на нем поместится больше десяти тысяч».

Гибкая электроника: напечатал и готово

Компоненты печатной гибкой электроники — антенны, сенсоры, элементы памяти продемонстрировал ребятам научный сотрудник лаборатории нанотехнологий и наноматериалов кандидат физико-математических наук Артём Ильич Иванов.

Разработкой наноструктур на основе графена в ИФП СО РАН занимается научная группа под руководством ведущего научного сотрудника доктора физико-математических наук Ирины Вениаминовны Антоновой. Специалисты группы запатентовали несколько технологий, нужных для изготовления печатной гибкой электроники: фторирования графена, изготовления и нанесения графеновых чернил для печати.

Артём Иванов. Фото Владимира Трифутина.

«Мы печатаем наши структуры на 2D принтере, он похож на обычный струйный принтер для бумаги, но заправляется специальными чернилами. Чтобы создавать электронные устройства, кроме проводящих материалов, нужны диэлектрические. Чернила на основе чистого графена подходят для печати проводящих структур, а для изолирующих слоев мы разработали и надежную, простую и недорогую технологию фторирования графена. Фторографен по структуре очень близок к графену, но не проводит электрический ток», — добавил Артём Иванов.

Графен — это атомы углерода, расположенные в один слой, такие слои способны растягиваться, изгибаться, хорошо проводят электрический ток и практически не портят процесс переноса электронов через свою структуру.

«Мы уже сделали и сейчас тестируем гибкие сенсоры, антенны для передачи сигнала. Другая разработка — гибкие элементы памяти на основе мемристоров», — отметил ученый.

Артём Иванов. Фото Владимира Трифутина.

Мемристор – от английского “memory resistor” – резистор, обладающий памятью. Он «запоминает», какое напряжение к нему приложено, и в зависимости от этого меняет сопротивление: становится проводящим или нет. Разница токов в проводящем и непроводящем состоянии мемристора может отличаться в сто миллионов раз, что очень удобно для конструирования больших логических схем. Подавая высокое напряжение, можно записать информацию, а затем ее считать, подавая более низкие напряжения, которые так и называются — считывающие.

«В отличие от транзистора, у которого три контакта, — у мемристора всего два. Соответственно, и разводка электрическая становится на треть меньше, в сравнении с транзисторами, а значит, можно получить выигрыш в компактности микросхемы», — отметил исследователь.

Один из гибких графеновых сенсоров влажности, показанных Артёмом, можно напечатать на ткани и использовать для создания операционных масок, чтобы следить за дыханием пациента. А сенсор глюкозы, над которым работают ученые, предназначен для неинвазивного контроля уровня сахара в крови.

Поймать инфракрасные фотоны школьников

Готовый прибор, созданный в ИФП СО РАН — медицинский тепловизор «СВИТ» школьникам представили ведущие инженеры-технологи ИФП СО РАН Артём Евгеньевич Настовьяк и Иван Викторович Мжельский и прочитали лекцию «Тепловидение» с показом демонстрационных опытов. Школьники разобрались, как устроен спектр электромагнитного излучения, принципы работы фотоприемной матрицы, увидели собственное тепловое излучение и определили ограничения тепловидения.

«Ученые все частички света разделяют на диапазоны: есть высокоэнергетичные частицы (гамма-излучение), рентген, ультрафиолет, оптический диапазон, инфракрасное излучение, микроволны, радиоволны, реликтовое излучение — все это свет с разными энергиями. А любое нагретое тело излучает инфракрасные фотоны — электромагнитные волны, но с разными длинами, в зависимости от температуры. Инфракрасное излучение открыл английский ученый Уильям Гершель в 1800 г., а через сто лет немецкий физик Макс Планк вывел формулу, описывающую, сколько фотонов излучает тело, нагретое до определенной температуры, и на какой длине волны это излучение происходит — с какой энергией летят фотоны», – объяснил Артём Настовьяк.

Он добавил, что каждый школьник тоже излучает инфракрасные фотоны. В видимом диапазоне (где длина волны света 0,4-0,7 микрон) за сутки вылетает лишь один фотон — недостаточно, чтобы мы могли заметить такое излучение. Поэтому тепловизионные матрицы, улавливающие инфракрасные фотоны от слабо нагретых тел, работают в другом диапазоне, детектируя фотоны с длиной волны от 3 до 5 микрон или от 8 до 14.

«Фотоприемные матрицы для фиксации таких фотонов сделаны на основе сложных полупроводниковых соединений — арсенида индия, теллурида кадмия и ртути. А схема считывания (мультиплексор) для обработки полученного сигнала — на основе кремния. Матрица и мультиплексор соединяются между собой с помощью специальных индиевых столбиков в результате очень точного и сложного технологического процесса, ведь совместить нужно миллионы фоточувствительных элементов матрицы с таким же количеством элементов схемы считывания», — отметил ученый.

Фоточувствительную в инфракрасном диапазоне матрицу на основе кремния создать невозможно, ведь кремний прозрачен в инфракрасном диапазоне. Его свойства наглядно продемонстрировал Иван Мжельский.

«Если мы закроем объектив тепловизора прозрачным для нашего глаза стеклом, то картинка исчезнет — стекло содержит большое количество воды, непрозрачной для инфракрасного излучения. А с пластиной кремния — наоборот, для невооруженного глаза она непрозрачна, а тепловизор “видит” объекты сквозь пластину», — показал Иван.

Иван Мжельский и Артём Настовьяк. Фото Надежды Дмитриевой.

На основе тепловизора можно создать термограф: прибор, измеряющий температуру на расстоянии. Но у метода есть ограничения: например, если измерять температуру блестящего объекта, то прибор зафиксирует количество отраженных объектом фотонов и ошибется в оценке температуры.

«Прибор определяет температуру блестящей монетки, опущенной в жидкий азот, как восемь градусов. Но температура азота — минус 196 градусов Цельсия, и монетка остыла до такой же температуры. Ошибка возникает именно из-за того, что монетка отражает инфракрасные фотоны, приходящие к ней от нагретых объектов — стен, потолка», — пояснил И. Мжельский.

Как стать ученым?

Завершил экскурсию председатель Совета молодых ученых ИФП СО РАН, заведующий молодежной лабораторией кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Милахин, рассказав школьникам о том, как можно стать ученым и вести исследовательскую деятельность в Институте физики полупроводников: «Для того, чтобы заниматься наукой, а это сейчас очень востребовано, нужно получить полное среднее образование, поступить в университет. Наш институт тесно работает с двумя вузами: Новосибирским государственным университетом и Новосибирским государственным техническим университетом. Первые два курса студенты получают базовое образование, а на третьем — начинается специализация, и вы можете попасть в ИФП СО РАН на практику, как правило, с профильных кафедр: физики полупроводников физического факультета НГУ и полупроводниковых приборов и микроэлектроники факультета радиотехники и электроники НГТУ НЭТИ. В целом научное образование состоит из трех ступеней: бакалавриат, магистратура и аспирантура. В нашем институте есть отдел аспирантуры, и эту часть обучения можно пройти прямо здесь».

После экскурсии все школьники получили на память мерч, специально разработанный для этой возрастной группы дизайнерами Новосибирского госуниверситета архитектуры, дизайна и искусств им. А.Д. Крячкова, — блокноты, ручки, значки и наклейки.

«Мне понравилось все, что было на экскурсии. Больше всего запомнилась лаборатория, где рассказали про атомно-силовой микроскоп и про гибкую электронику», — сказал Дмитрий, ученик девятого физико-математического класса лицея №13 Краснообска.

«На мой взгляд, самым интересным был рассказ Артёма Иванова про оптические свойства крыльев бабочки, графеновую электронику. Впечатлил атомно-силовой микроскоп, потому что я специализируюсь еще и по биологии, и в этом контексте мне интересен был прибор», — отметила Мария, одноклассница Дмитрия.

Пройдя опрос для сбора обратной связи, школьники также отметили, что хотели бы узнать об истории создания института, о других полупроводниках и о новейших открытиях.

Пресс-служба ИФП СО РАН
Фото Надежды Дмитриевой и Владимира Трифутина