суббота, 13 июня 2009 г.

Самоупорядочение магических кластеров


Бум исследования наноструктур не обошел стороной Дальневосточное отделение РАН. Неудивительно, что на передовой линии оказались ученые, исследовавшие тонкие пленки – слои вещества, по свойствам отличные как от массивов, так и от отдельных атомов. По сути, наноструктура – это очень маленький фрагмент твердого тела, и отличие от объемного твердого тела тут, казалось бы, только в числе атомов. Однако оказалось, что при таких малых размерах их свойства могут значительно отличаться от свойств объемных материалов. Например, кристаллики золота, размером три нанометра плавятся при комнатной температуре, тогда как массивное золото – при температуре свыше тысячи градусов! Многие из удивительных свойств наноструктур нам еще неизвестны и в настоящее время ведутся интенсивные и обширные исследования по их выяснению. Особым стимулом здесь служит то, что в будущем электронные схемы будут строиться из наноэлементов, а существующие сегодня (традиционные) методы создания полупроводниковых микросхем не годятся для формирования наноструктур.

Мои собеседники – Александр Александрович Саранин и Андрей Вадимович Зотов – доктора физико-математических наук, известные физики-твердотельщики, сотрудники отдела физики поверхности Института автоматики и процессов управления ДВО РАН.

Александр Александрович Саранин, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики поверхности Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, директор научно-образовательного центра "Нанофизика и нанотехнологии" ДВГУ, декан Физико-технического факультета Института физики и информационных технологий ДВГУ. Область научных интересов – атомные процессы на поверхности полупроводниковых кристаллов.

Андрей Вадимович Зотов, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией технологии двумерной микроэлектроники ИАПУ, профессор кафедры электроники Владивостокского государственного университета экономики и сервиса. Изучает процессы формирования наноструктур методами сверхвысоковакуумных технологий.

Обращаюсь к Александру Александровичу: расскажите о научных направлениях отдела физики поверхности, кадровом составе лабораторий.

А. Саранин: Отдел физики поверхности создан в 1975 году доктором физико-математических наук профессором Ф.Г. Старосом. Начиная с 1979 года, отдел возглавлял член-корреспондент РАН В.Г. Лифшиц, а с 2005 года, после ухода Виктора Григорьевича, отделом руковожу я.

Основное научное направление нашего отдела – физика субмонослойных микроструктур на кремнии. Мы получаем важную информацию для разработки новых полупроводниковых приборов и материалов на основе сверхвысоковакуумных технологий.

Отдел состоит из пяти лабораторий: технологии двумерной микроэлектроники; технологии гомоэпитаксии; физики квантово-размерных гетеросистем; технологии полупроводников и диэлектриков; оптики и электрофизики.

В отделе работают 44 человека, 33 научных сотрудника, из них восемь докторов наук и пятнадцать кандидатов наук. В этом году двое сотрудников уже защитили кандидатские диссертации, еще одна работа принята к защите на октябрь, на конец года запланировано еще три защиты. В конце июня Куянов Игорь Александрович защитил докторскую диссертацию. Вероятно, его научный коллектив вскоре сформирует еще одну, уже шестую в отделе, лабораторию.

– Александр Александрович, Андрей Вадимович расскажите об основных результатах научных исследований в ваших лабораториях.

А. Саранин: Исследуем процессы формирования структуры и свойств субмонослойных пленок из атомов, осажденных на поверхности полупроводниковых кристаллов. Изучаем критические явления, в том числе фазовые переходы в системах пониженной размерности. Ищем пути управления структурой и свойствами наносистем и разрабатываем на их основе функциональные элементы для будущей полупроводниковой наноэлектроники. Лаборатория Андрея Вадимовича занимается изучением процессов формирования упорядоченных наноструктур, исследует их электрофизические характеристики и другие физические свойства, занимается теоретическим моделированием структуры и свойств наноструктур.

Нам удалось установить связи между атомным строением и составом наноструктур (в частности нанокластеров) и их свойствами, в первую очередь электронными, для случая «магических» кластеров индия на поверхности кремния. Магическими называют кластеры, число атомов в которых не произвольное, а всегда точно равно некоторому «магическому» числу, например шести. Модифицировав сформировавшиеся индий-кремниевые кластеры добавочным небольшим количеством индия и исследовав энергетическую структуру материалов, мы обнаружили возможность легирования нанокластеров. Это совпадает с эффектом легирования объемных полупроводников, когда замена собственных атомов полупроводника атомами легирующей примеси приводит к появлению примесных уровней в запрещенной зоне. Таким образом, мы нашли возможность влиять электронные свойства кластеров.

А. Зотов: Мы научились создавать нанотрубки из кремния, легированного бериллием. В настоящее время значительные успехи достигнуты в исследовании наноструктур на основе углерода. В первую очередь это касается сферических молекул С60 (фуллеренов), за открытие которых Г. Крото, Р. Керл и Р. Смолли получили в 1996 году Нобелевскую премию по химии, а также углеродных нанотрубок, открытых японским физиком С. Иидзимой. Учитывая то, что кремний, как и углерод, элемент IV группы, можно было ожидать существование таких же наноструктур (сферических молекул и нанотрубок) и в случае кремния. Однако, несмотря на многочисленные попытки, надежных положительных результатов получено не было. Теоретики предсказали, что нанотрубки, состоящие только из атомов кремния нестабильны и необратимо трансформируются в бесформенные кластеры, а вот если бы удалось внутрь кремниевых нанотрубок поместить атомы бериллия, то нанотрубки, вероятно, обретут стабильность. Мы провели эксперименты по осаждению атомов бериллия на поверхность кремния и обнаружили образование необычных упорядоченных массивов, состоящих из элементов трех типов: «палочек», «бумерангов», и «пропеллеров». Оказалось, что длина и ширина «палочки» совпадают с размерами нанотрубки Si24Be2, предсказанной теоретически. Сопоставление данных сканирующей туннельной спектроскопии с результатами теоретических расчетов также показало хорошее соответствие их электронных свойств: оба объекта ведут себя как полупроводники с шириной запрещенной зоны около одного электрон-вольта. Так что «бумерангу» должна соответствовать конструкция из двух нанотрубок и имеющая состав Si36Be2, а «пропеллеру» – состоящая из трех нанотрубок и имеющая состав Si48Be4.

А.В. Зотов

– Двадцать шесть лет отделом физики поверхности руководил В.Г.Лифшиц. Как прошел год в отделе без Виктора Григорьевича?

А. Саранин: Мы все ученики В.Г. Лифшица. Посмотрите, на стене висит фотография в рамке, приблизительно 1987 года, она раньше была у Виктора Григорьевича в кабинете. На ней мы, совсем молодые: А.В. Зотов, В.Г. Лифшиц и я у сверхвысоковакуумной установки для анализа поверхности твердого тела. Мы все эти годы работали вместе. Теперь, к сожалению, без Виктора Григорьевича. Но фактически все, что было создано, продолжает функционировать: дело Лифшица живет. За прошедший год наш отдел не потерял ни одного человека, не считая наших сотрудниц, которые ушли в декрет. Такой вот демографический взрыв. Президент России только объявил о программе решения демографических проблем, а у нас в отделе уже пятеро ребятишек народилось в этом году. Шестой, наверное, не успеет в этом году и порадует родителей в следующем году. Видимо, люди больше задумываются о жизни, когда сталкиваются с тем, что кто-то уходит из нее. Действие рождает противодействие или такое вот проявление закона сохранения – не важно как это назвать. Наверное, это естественно, в этом смысл жизни. Так что мы приумножились за этот год на пять потенциальных «юных физиков».

А. Зотов: В течение трех лет успешно функционирует совместная с корпорацией «Самсунг» исследовательская лаборатория. Первоначально в России работали девять таких лабораторий, однако после рассмотрения корпорацией результатов работ за трехлетний период, финансирование на следующий срок получили только две совместных лаборатории: с Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова и с нами. Значит, наши достижения высоко оцениваются не только в научном сообществе, о чем свидетельствуют публикации работ в таких ведущих международных журналах, как «Physical Review», но и лидерами мировой полупроводниковой промышленности. Кстати о журналах. Будучи директором института, Виктор Григорьевич обратил внимание научных сотрудников на малое количество публикаций и поставил задачу удвоить число статей, причем в высокоцитируемых журналах. С поставленной задачей мы справились, а год назвали «годом печати». Надо сказать, этот темп мы выдерживаем.

– А связи с вузами сохранились?

А. Саранин: Конечно. Мы дорабатываем и выпустим на русском языке в издательстве «Наука» наш учебник, первоначально изданный на английском языке издательством «Springer». Совместно с Дальневосточным государственным университетом нами создан научно-образовательный центр «Нанофизика и нанотехнологии». Он образован на базе физико-технического факультета, созданного и руководимого В.Г. Лифшицем. Студенты «с младых ногтей» работают в наших лабораториях, и после окончания университета приходят к нам сформировавшимися специалистами, встроенными в систему наших отношений. Недавно ДВГУ выиграл очень большой грант, около миллиарда рублей, на реализацию программы инновационного образования. Она предполагает интеграцию фундаментальной науки, непосредственно учебного процесса и производства. Мы активные участники программы. Благодаря этому гранту будет закуплено новейшее оборудование, а наша работа со студентами выйдет на качественно новый уровень.

На рубеже 2015-2020 годов микроэлектроника, согласно закону Мура, который гласит: «Число транзисторов на кристалле микросхемы удваивается каждые два года» и остается справедливым уже сорок лет, должна достичь физического предела, когда отдельный элемент микросхемы будет состоять из нескольких атомов, а его размер окажется порядка одного нанометра. Последователи Ричарда Фейнмана собирают наноструктуру, помещая нужный атом в нужное место. У А. Саранина и А. Зотова атомы попадают в нужное место сами.

28 августа 2006 года

Комментариев нет:

Отправить комментарий