Научно-технологическое развитие Российской Федерации

От атомов к поверхностям-трансформерам

От атомов к поверхностям-трансформерам

В лаборатории нанодиагностики и нанолитографии, у истоков которой стоит академик Александр Леонидович Асеев, исследуют атомные процессы на поверхности и в объеме кристаллов, атомное строение наноструктур с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, развивают методы наноструктурирования поверхности с помощью электронной, ионной- и зондовой литографии для изготовления твердотельных наносистем из полупроводниковых, металлических и органических материалов. Сегодня дело ученого продолжают молодые специалисты, которые поделились результатами своих исследований и продемонстрировали передовые технологии.
Лаборатория располагается в здании термостатированного корпуса ИФП СО РАН. Его построили одним из первых в 70-х годах ХХ века. По словам заведующего лабораторией Дмитрия Щеглова, после строительства корпус считался шедевром инженерной инфраструктуры. Он напоминает матрешку — здание в здании, которое сконструировано так, чтобы на внутреннем уровне всегда поддерживались постоянная температура 18 градусов Цельсия и особые условия чистоты атмосферы от пылинок. "При строительстве была установлена сложная система вентиляции. К сожалению, с 70-х годов нормы чистоты атмосферы для полупроводниковых технологий изменились и здание стало устаревать. Чтобы соблюдать необходимые условия, мы создаем следующий уровень — так называемые  «чистые комнаты»", — рассказал «Научной России» Дмитрий Щеглов.
Молодой кандидат наук Сергей Васильевич Ситников демонстрирует атомную DAS-модель поверхности кремния

Молодой кандидат наук Сергей Васильевич Ситников демонстрирует атомную DAS-модель поверхности кремния

Атомная DAS-модель поверхности кремния

Атомная DAS-модель поверхности кремния

Атомная DAS-модель поверхности кремния

Атомная DAS-модель поверхности кремния

Александр Леонидович Асеев — один из основателей направления исследований элементарных структурных процессов в объеме полупроводников. Сегодня сотрудники лаборатории уже работают на предельном уровне технологий — атомарном, пытаясь найти способы воздействия на атомы кристалла, с тем, чтобы полупроводники были более функциональными. Его последователь — нынешний директор Института физики полупроводников Александр Васильевич Латышев сфокусировался на изучении свойств поверхностей полупроводников, где совершил ряд фундаментальных открытий в области процессов самоорганизации атомов. Сейчас благодаря накопленному научной школой академиков А.Л. Асеева и А.В. Латышева  опыту молодые сотрудники лаборатории нанодиагностики вышли на новый уровень и исследуют совершенно уникальные системы. 
Заведующий лабораторией Дмитрий Щеглов с молодыми коллегами демонстрирует уникальную научную установку — комплекс сверхвысоковакууумной отражательной микроскопии

Заведующий лабораторией Дмитрий Щеглов с молодыми коллегами демонстрирует уникальную научную установку — комплекс сверхвысоковакууумной отражательной микроскопии

Заведующий лабораторией нанодиагностики и нанолитографии, кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Щеглов: «Сегодня наша лаборатория фактически является крупным Центром коллективного пользования, включенным в государственный реестр. В свое время при активном участии Александра Леонидовича, ЦКП был создан, чтобы обеспечить диагностическое сопровождение различного уровня проектов, выполняемых в институтах Сибирского отделения РАН. Такой Центр объединяет институты по определенному направлению исследований, а сотрудники из разных научных организаций вместе работают с высокотехнологичными и дорогостоящими приборами. ЦКП направлены на поддержку исследований по приоритетным направлениям развития России, демонстрируют научные результаты мирового уровня и развивают научно-технологическую составляющую экономики РФ".

"Мы исследуем и создаем уникальные полупроводниковые структуры, которые находятся на самом переднем крае науки, а некоторые из них «опережают время» по научно-технологическому уровню лет на 20", — отметил Дмитрий Щеглов. Перед учеными стоит задача не только изучить процессы с фундаментальной точки зрения, но и развивать технологические решения на их основе, востребованные в промышленности. Многие из созданных структур не могут быть использованы сейчас, поскольку общий уровень развития науки и технологий не поспевает за ними. Тем не менее, мировое лидерство в этой области заставляет постоянно совершенствовать специальные диагностические приборы для изучения подобных процессов.

Так, в лаборатории изучают процессы самоорганизации атомов на атомно-чистой поверхности кристалла, например, кремния, чтобы создавать так называемые поверхности-трансформеры. Эти структуры могут прецизионно и контролируемо менять собственный рельеф поверхности, согласно заданным учеными условиям. Исследования коллектива ИФП СО РАН проводятся с использованием научного оборудования, включающего аналитическую высокоразрешающею просвечивающую электронную микроскопию с корректором сферической аберраций, уникальную не имеющих аналогов сверхвысоковакуумную отражательную электронную микроскопию, сканирующую электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию и современные нанолитографические приборы. Уникальный диагностический комплекс позволяет трансформировать методом «снизу-вверх» рельеф поверхности кристалла, создавая предельно гладкие или шероховатые поверхности. Такие поверхности-трансформеры уже сейчас востребованы как атомно-гладкие зеркала в современных оптических интерферометрах, или как меры шероховатости и геометрических размеров для пикометрологии.

«В нанотехнологии используются такие понятия, как создание наноструктур методом «сверху вниз» и «снизу вверх». Представьте, что вы получили задание на базе старого советского автомобиля сделать современную дорогую иномарку. Управляя процессом по методу «сверху-вниз», вы полностью разбираете оба автомобиля, сравниваете детали, создаете приборную базу для изменения деталей и их сборке, и собираете нечто похожее на новую иномарку, сохраняя при этом весь бюджет ошибок на каждом этапе повторения. В качестве примера работы «снизу-вверх» можно привести «гиперболу», когда вы сравниваете общие физические свойства двух автомобилей, на основе фундаментальных расчетов и знания структуры материалов автомобилей и их формы. После, на основе знаний и расчетов создаете стену с такой формой поверхности, что при сильном ударе об нее первый автомобиль меняет форму и превращается во второй. К сожалению, часто такие задачи не имеют решения, но в тех случаях, когда такое решение есть, управление процессом «снизу-вверх» предполагает использование свойств самого материала, знаний о нем и его элементарно-структурных процессов. К счастью, в наномире процессы самоорганизации гораздо более явны, так как усложнение за счет размерных уровней, конечно, и лимитируется единичными атомами», — поясняет Дмитрий Щеглов.

Кристалл кремния в момент трансформации поверхности в атомное зеркало при температуре 1200 градусов Цельсия в сверхвысоковакуумной MBE-ячейке в колонне отражательного электронного микроскопа

Кристалл кремния в момент трансформации поверхности в атомное зеркало при температуре 1200 градусов Цельсия в сверхвысоковакуумной MBE-ячейке в колонне отражательного электронного микроскопа

В одной из комнат установлены сканирующий электронный микроскоп и системы зондовой микроскопии. Такие установки позволяют на наноуровне исследовать свойства поверхности материалов. Сотрудники работают с разрешением меньше 1 нанометра. То есть могут различить до нескольких атомов, соединенных вместе. Это позволяет анализировать свойства поверхностей с максимальной детализацией.

Сотрудники лаборатории нанодиагностики проводят исследования элементарных структурных процессов для дальнейшего развития технологии поверхностей-трансформеров. В будущем подобные технологии принесут новые интересные приложения, в том числе системы, обладающие уникальными функциональными свойствами.

Источник