Уважаемые преподаватели! Из статей в газетах мы узнали, что в университете введена новая специальность “Нанотехнологии в электронике”, что нанотехнологии — одно из самых передовых направлений в науке. Есть ли возможность заниматься научной работой в этом направлении на нашем ФНП?
Отвечает зав. кафедрой электроники, колебаний и волн, член-корр. РАН, профессор Дмитрий Иванович Трубецков:
Хотя давать определения дело неблагодарное, попробуем ответить на вопрос: “Что такое нанотехнология?”
Начнем с понятия “технология”.
“Технологией называется совокупность методов обработки, изготовления, измерения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции” (Энциклопедический словарь. М.: Сов энциклопедия, 1987)
Приняв это определение, можно сказать, что особенность нанотехнологий в том, что рассматриваемые процессы и соответствующие действия совершаются в нанометровом диапазоне пространственных размеров. Напомню, что размер атома составляет несколько десятых нанометра. В определении технологии фигурирует термин “сырьë”. Так вот в нанометровом диапазоне “сырьем” являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не микронные или макроскопические объёмы материала, содержащие миллиарды атомов и молекул. Отсюда ещё одно отличие нанотехнологии от традиционной технологии: можно извне управлять отдельными атомами и молекулами, что позволяет создавать из них “бездефектные” материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, а также новые классы устройств с нанометровыми размерами.
Общепринятого определения нанотехнологии нет. Возьмём в качестве рабочего определение профессора Г. Г. Еленина (МГУ, Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН):
Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.
Я участвовал в работе научной сессии РАН “От наноструктур до экономики, основанной на знаниях” (19 декабря 2002 года), на которой обсуждался вопрос, как обстоит дело с исследованиями в области наноструктур и нанотехнологий в мире и каково место России в них.
Начну с наиболее близкой мне области — вакуумной микроэлектроники. В этом направлении речь идет о разработке новых электронных пушек для известных СВЧ приборов и о создании принципиально новых СВЧ-устройств, о конструировании новых плоских экранов и эффективных дисплеев, о создании новых типов специальных процессоров для обработки информации. Основная используемая структура представляет собой решетку острийных (или лезвийных) холодных автокатодов, формирующую матрицу диодных или электронно-оптических микроструктур.
На ФНП ведутся теоретические исследования в указанных направлениях. Для ознакомления с основами вакуумной микроэлектроники можно указать на первую в мире монографию Д.И. Трубецкова, А.Г. Рожнева и Д.В. Соколова “Лекции по сверхвысокочастотной вакуумной микроэлектронике”. Саратов: ГосУНЦ “Колледж”, 1996, а также следующие статьи:
- Д.И. Трубецков, А.Г. Рожнев, Д.В. Соколов “Вакуумная микроэлектроника- бремя ожиданий” // Изв. Вузов - ПНД, 1996, т.4, N 4,5, с.130
- Д.И. Трубецков “Вакуумная микроэлектроника” // Соросовский образовательный журнал, 1997, N 4
- Roznev A.G., Sokolov D.V., Trubetskov D.I., Han S.T., Kim J.I., Park G.S. “Novel concept of vacuum microelectronic microwave devices with field emitter cathode arrays” // Physics of Plasmas, 2002, v.9,N 9, p.4020
- Есть лекция <Вакуумная микроэлектроника> в книге Д.И. Трубецкова и А.Е. Храмова “Лекции по СВЧ электронике для физиков”, Т.2, М.: Физматлит, 2004, 648 с.
Значительными экспериментальными успехами в этой области не может похвастаться ниодна исследовательская группа в мире.
К наноэлектронике следует отнести и конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения (в частности, квантовых компьютеров), нанопроводов, транзисторов, выпрямителей и т.п.
Но, конечно, главным и самым трудным в создании наноструктур и нанотехнологий является эксперимент и создание аппаратуры для исследований. Здесь можно выделить следующие направления:
- Молекулярный дизайн, под которым понимают препарирование имеющихся молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях
- Создание материалов с высокой проводимостью и <бездефектных> высокопрочных материалов
- Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов, магнитных силовых микроскопов, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов, нанолазеров, проектирование медицинского наноинструментария для уничтожения вирусов, локального лечения органов и высокоточной доставки лекарств в нужное место живого организма
- Изучение проблем трения и износа на микроуровне (микротрибология) для разработки нового класса приборов, что требует новых микросистемных технологий
Чтобы понять масштабы трудностей и финансовых затрат при создании аппаратуры для наноприборов, остановлюсь кратко на докладе “Литография на длине 13 нм”, сделанном на сессии член-корр. С.В. Гапоновым.
Начну с того, что обычно рисунок будущих приборов и схем делается так. Сначала изготавливается увеличенное изображение (маска) прибора, которое потом с уменьшением переносится на полупроводниковую пластинку, покрытую фоточувствительным слоем, т.е. фотографируется с уменьшением. Далее необходимо много циклов травления и осаждения новых слоев различных материалов, но почти перед каждой операцией 
требуется нанесение фоточувствительного слоя (резиста) и фотографирование маски с каким-то новым рисунком. Процесс получения рисунка называют литографией, а установки, на которых это делают — литографами. В мире были освоены диапазоны 248 нм и 193 нм, осваивается диапазон 157 нм. У нас в России развитие литографии на первых двух длинах волн пришлось на “смутное” время, в литографии на 157 нм мы безнадежно отстали. В Институте физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) была выбрана длина волны 13 нм, на которой в настоящее время следует строить нанолитографию. В США в1997 году была принята программа Extremal Ultraviolet Litography (EUVL) для создания нанолитографа на длине волны 13 нм. Такие программы существуют в Европейском союзе и Японии.
Как указывает С.В. Гапонов, для создания литографического процесса на этой длине волны необходимо создать мир атомарных точностей: необходимо разработать новые источники излучения на длине волны 13 нм (синхротрон или плазма, разогретая лазерным импульсом), улучшить гладкость поверхности зеркальной оптики, размещенной в вакууме, улучшить точность формы и термостабильность оптических элементов, точность механических устройств установок экспонирования.
Работы в России ведутся в рамках европейской программы (хоздоговорное участие) и поэтому выглядят прилично.
С.В. Гапонов считает, что если объединить действительно работающих в данном направлении людей в некую виртуальную лабораторию (по его мнению их около 100 человек) и финансировать их работу из расчета 50 тыс. долларов на человека в год, то можно решить проблему наноэлектроники и атомноточных технологий. Меньшее не позволит приобретать и заказывать необходимое для успешной работы оборудование.
Разумеется, существуют наряду с оптической литографией и другие методы — ИМПРИНТ-литография (используется штамп с нанорельефом, играющий ту же роль, что и шаблон в контактной оптической литографии), электронная литография (используются высокоэнергетичные пучки (100-200 эв) сечением 1-10нм) и другие.
Из направления, связанного с получением наноматериалов, следует выделить изучение фуллеренов — высокосимметричных молекул углерода. Молекула состоит из 60 атомов углерода, расположенных на сфере с диаметром в один нанометр и напоминает футбольный мяч. Такие молекулы могут образовывать кристалл фуллерит, в полостях которого могут находится посторонние атомы. Такая молекула представляет собой однослойную трубку с диаметром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. Нанотрубки — перспективные кандидаты на роль автоэмиссионных катодов в приборах вакуумной микроэлектроники. Уникальность новых материалов в их сверхпрочности (бездефектные углеродные трубки на два порядка прочнее стали и приблизительно в четыре раза легче её), высокой проводимости (можно ожидать, что электрические кабели из нанотрубок при комнатной температуре будут иметь электропроводность на два порядка выше, чем медные кабели).
Все описанное впечатляет, но широкое использование наноматериалов упирается в развитие технологий, которые в свою очередь требуют сверх дорогого оборудования.
Мы были бы рады иметь хотя бы одну научно-учебную лабораторию по нанотехнологиям, но ФНП не располагает необходимыми средствами для закупки оборудования в миллионы долларов.
Для объяснения многих экспериментов требуется моделирование нанотехнологических процессов и приборов. Поскольку нанообъекты являются составной частью макросистем, требуются уровни различной подробности описания, которым соответствуют разные модели:
- шредингеровские модели (предполагается, что исследуемая система состоит из атомных ядер (ионов) и электронов, возможно моделирование из первых принципов);
- модели молекулярной динамики на первых принципах (используются уравнения Шредингера для определения потенциала межъядерных взаимодействий);
- полуэмпирические модели классической молекулярной динамики с заданным потенциалом;
- решеточные модели и алгоритмы метода вероятностных асинхронных клеточных автоматов (модели неидеального решёточного газа);
- модели типа реакция-диффузия.
Решёточными моделями и моделями последнего типа занимаются на ФНП в рамках развития теории самоорганизации. Вы знаете, что на ФНП читается курс “Самоорганизация открытых нелинейных систем”, содержание которого, в основном, соответствует книге Д.И. Трубецкова, Е.С. Мчедловой и Л.В. Красичкова “Введение в теорию самоорганизации открытых систем”, М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2002, 200 с.
Я не коснулся многих важных вопросов нанотехнологий и наноструктур, таких как исследования в области квантовых технологий в информатике и метрологии (в первую очередь, создание квантовых компьютеров), исследование биочипов в биологии и медицине (биочипами занимаются в ИБФРМ РАН, где у ФНП есть базовая кафедра биофизики), изучения неорганических наноструктур в природе (пример - вершины так называемых черных “курильщиков” на дне океана) и др.
Однако, думаю, что ясно одно: чтобы стать специалистом в области нанотехнологий нужно своими руками “пощупать” эти технологии и, кроме того, овладеть огромным объёмом сложных теоретических знаний в области физики, нелинейной динамики, химии, биологии, вычислительной математики.
Легче такую специальность организовать в технических вузах, где технологиям учат. Насколько мне известно, специальность успешно развивается в Нижегородском и Новосибирском государственных университетах. Почему? Дело в том, что в этих университетах существовали соответствующие научные школы, что позволило им в рамках программ поддержки фундаментальной науки (грант фонда гражданских исследований (CDDF, США) и Минобразования России) выиграть гранты в миллион долларов для создания научно-образовательных центров (НОЦ). В Новосибирске, например, был создан НОЦ “Молекулярный дизайн и экологически чистые технологии” (об этом НОЦ можно прочитать в статье “Конструкторы структур” в газете “Поиск” N 47-47, 19 ноября 2004 г, с. 16). Конечно, сибирякам удалось купить аппаратуру, на которой и учат студентов.
В Саратовском государственном университете, благодаря существованию ведущих научных школ России, известных в мире, был также выигран подобный грант и создан НОЦ “Нелинейная динамика и биофизика”. Создание НОЦ позволяет учить студентов на приличной аппаратуре и поддерживать высокий уровень научных исследований в области нелинейной динамики и биофизики.
Дорогие студенты! Я и мои коллеги благодарны Вам за вопрос. Думаю, что мы обязательно на будущий год включим в наш курс “Современные проблемы науки о колебаниях и электроники” несколько ознакомительных лекций по нанотехнологиям и наноприборам, а в области вакуумной микроэлектроники и самоорганизации можно подключиться к теоретическим исследованиям.
