100 лет назад рассуждения К.Э. Циолковского о будущих космических полетах казались абсолютной фантастикой. 30 лет назад никто из нас не мог себе представить, что шариковые ручки станут анахронизмом и им на смену придут разнообразные гаджеты, с помощью которых можно не только писать, но и делать многое другое. 20 лет назад мобильные телефоны были привилегией избранных — большие, тяжелые, далеко не каждому по карману. Остальные пользовались пейджерами — многие ли сегодня помнят, что это такое? Информационные технологии развиваются столь быстрыми темпами, что человечество не всегда успевает на эти изменения реагировать. Пройдет еще каких-нибудь десять лет — и мир может измениться до неузнаваемости. Все это — во многом благодаря новым материалам с принципиально новыми свойствами.
Чего нам ждать от недалекого будущего — об этом наш разговор с Вячеславом Григорьевичем Сторчаком, доктором физико-математических наук, профессором, начальником лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт».
— Вячеслав Григорьевич, вы возглавляете лабораторию новых элементов наноэлектроники. Что это такое?
— Как известно, кремниевая технология, которая лежит в основе всех информационных технологий— компьютеров, телефонов. Других устройств, — в настоящее время подходит к своему физическому пределу. Последние 50 лет развитие информационных технологий на базе кремниевой технологии осуществлялось в основном путем миниатюризации элементов— транзисторов, интегральных схем, элементов памяти.
При этом количество транзисторов на единицу площади, согласно так называемому закону Мура, в среднем удваивалось каждые два года.
Так продолжалось на протяжении нескольких десятилетий, и наконец латеральные размеры элементов подошли к определенному пределу. Речь о том, что в силу фундаментальных физических ограничений перестают работать принципы, положенные в основу действия устройств на базе кремния. Так, современные коммерческие процессоры работают на частотах, не превышающих 5 ГГц, тогда как, согласно прогнозам аналитического отдела Intel, должны были преодолеть рубеж в 10 ГГц еще в 2007 г.
Таким образом, во-первых, уменьшение до наноразмеров привело к тому, что основная парадигма работы транзистора, а именно переключение состояний «включено/ выключено», перестает работать.
И, во-вторых, в результате миниатюризации элементов микроэлектроники на единицу площади их оказалось настолько много, что тепловыделение не позволяет им функционировать в должном режиме. Эти обстоятельства определяют необходимость поиска новых направлений, материалов и принципов работы элементов интегральных схем. В настоящее время рынок информационных технологий оценивается более чем в $3,5 трлн в год и эксперты предсказывают мировой экономический кризис, если не будет найдена новая технология, альтернативная кремниевой электронике.
И вот в 2016 г. корпорация Intel, флагман микроэлектроники, впервые с 1968 г., с момента своего основания, объявила о глобальной смене парадигмы развития микроэлектроники. Те фундаментальные пределы, к которым подошла кремниевая электроника, заставляют разработчиков микроэлектронных устройств искать иные пути. Выделены два направления — туннельные транзисторы и спинтроника — как альтернативы кремниевой электронике на ближайшие десятилетия. И если туннельные транзисторы, по мнению руководителей департамента развития технологий Intel, не имеют в ближайшее время перспектив коммерциализации, то спинтроника обладает этим преимуществом. Именно поэтому Intel выделил спинтронику в качестве нового магистрального направления развития электроники.
- Что такое спинтроника?
- Обычно принцип работы устройств электроники предполагает перенос заряда электрона. Это сопровождается нагреванием материала, большим тепловыделением, что не позволяет осуществить дальнейшее масштабирование элементов. Спинтроника основывается на другом фундаментальном свойстве электрона— его спине, то есть собственном моменте импульса, который может в определенных условиях осуществлять одно из двух состояний — вверх или вниз. На этом свойстве основывается принцип «включения/выключения». Переворот спина электрона сопровождается очень малым выделением энергии, и это преимущество может оказаться решающим в процессе конкуренции той или иной технологии в микроэлектронике. Таким образом, гонка к гигагерцам заменяется на гонку в сторону ограничения тепловыделения. С одной стороны, значительное уменьшение тепловыделения позволит компенсировать возможное уменьшение тактовой частоты и общей производительности, что особенно важно для массивных вычислений. С Другой стороны, фокус сдвигается в сторону облачных технологий, а также мобильных устройств, работающих в условиях ограниченной мощности.
- Неужели речь идет о полном отказе от кремниевых технологий? Ведь во всем мире построено огромное количество заводов по производству микроэлектроники на основе кремния.
- Да, это так. Никто, конечно же, не сможет отказаться от тех инвестиций, которые вложены в эти заводы. Значит, необходимо интегрировать новые направления с кремниевыми технологиями.
- Итак, человечеству необходимо создать кремниевую спинтронику. Задача, как я понимаю, не из легких.
- Да, совсем не из легких. Дело еще в том, что кремниевая технология планарная, то есть двумерная, а это значит, что нужно искать новые технологии, которые были бы тоже двумерными. Действительно, по всему миру сейчас идет поиск новых материалов.
- И каждый ищет самостоятельно?
- Конкуренцию никто не отменял. Поскольку спинтроника основана на динамике спина, а спин связан напрямую с магнитным полем, новый материал должен быть магнитным. Таким образом, материал должен отвечать следующим требованиям: двумерный, магнитный, интегрируемый в кремниевую технологию. Именно такой материал мы и создали.
- Что представляет собой этот материал?
- Всем известен графен. По структуре он представляет собой двумерный материал, который в планарном виде выглядит как соты. В узлах решетки графена находятся атомы углерода. Но графен не обладает магнетизмом, и в этом его недостаток — наряду с его уникальными преимуществами. А мы уже знаем, что рабочий материал спинтроники должен быть магнитным. Существует структурный аналог графена — силицен, где в узлах решетки вместо атомов углерода находятся атомы кремния. Таким образом осуществляется интеграция с кремниевой технологией.
- Но ведь кремний тоже немагнитен.
- Совершенно верно. Но если силицен интеркалировать магнитными ионами, а в данном случае мы использовали ионы гадолиния и европия, то его можно сделать магнитным, двумерным и, соответственно, интегрированным с кремнием.
- Каким образом все это происходит?
- Осуществляется реакция в высоком вакууме: на подложку кремния направляется поток атомов гадолиния либо европия, и при определенной температуре идет химическая реакция с образованием многослойной структуры — слой гадолиния, слой силицена, опять слой гадолиния, слой силицена. Получается такой двумерный ферромагнитный «слоеный пирог» — уникальный материал, отвечающий всем заявленным выше требованиям.
- Вы сказали — уникальный. Неужели никто больше до этого не додумался?
- Насколько нам известно, ничего подобного в мире нет. Это наша, российская разработка, осуществленная на базе Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).
- А каким путем идут в мире?
- В основном идут путем создания так называемых ван-дер-ваальсовских двумерных ферромагнетиков. Первые работы появились примерно год назад — были опубликованы две статьи в журнале Nature, в которых речь идет о хромовых соединениях. В этих соединениях обнаружен двумерный ферромагнетизм, который, однако, оказался крайне слабым — его можно обнаружить только оптическими методами. Эти ван-дер-ваальсовские материалы напрямую с кремниевой технологией не связаны. Мы в эту гонку включились еще до того, как были опубликованы эти работы, и в результате был синтезирован материал, о котором мы сейчас говорим. Этот материал по сравнению с ван-дер-ваальсовскими материалами на основе хрома обладает достаточно сильным ферромагнетизмом. который можно обнаружить с помощью стандартных магнитометров.
- Насколько я знаю, у вас тоже есть публикация в престижном научном журнале?
- Да, в журнале Nature Communications. В этой статье показано, что создан целый класс двумерных материалов, интегрированных с кремнием и обладающих ферромагнитными свойствами. В этих материалах прослеживается сильная зависимость ферромагнетизма от магнитного поля, а это признак двумерности материала.
- Что вы собираетесь дальше делать с этим материалом?
- Сейчас трудно сказать, какова будет его судьба. Дело в том, что не только магнитные, но и транспортные свойства этого материала сильно зависят от количества его слоев. Как это и требуется в двумерности, мы работаем на уровне монослоев, то есть на подложке кремния оказываются один монослой материала, два, три. Мы научились выращивать определенные наборы слоев и таким образом манипулировать транспортными свойствами структуры.
Во-первых, необходимо повышать температуру ферромагнитного перехода (в настоящее время она составляет порядка 50 градусов Кельвина), доводить ее до комнатной, чтобы можно было конкурировать с нынешней микроэлектроникой. Во- вторых, поскольку материал только недавно создан, необходимо исследовать его свойства и расширять класс такого рода материалов— других силиценовых ферромагнетиков.
- Какими вам видятся основные области его применения?
- Основная область его применения — это кремниевая спинтроника, которая в перспективе может оказаться альтернативой ныне существующей кремниевой электронике.
- Как все это может изменить нашу жизнь?
- Кардинально.
- Давайте представим себе картинку будущего — скажем, 20 лет спустя, когда у нас доминирует новый вид электроники. Что мы увидим?
- Если вы помните, 20 лет назад у нас не было мобильных телефонов. Наши телевизоры представляли собой большие ящики, и в автомобилях не было тех электронных устройств, которыми мы сейчас ежедневно пользуемся. Прогресс электроники не остановить. Если современные суперкомпьютеры сейчас требуют энергии небольшой электростанции. то подобные суперкомпьютеры будущего будут намного скромнее в своих запросах.
- Будут питаться от розетки 220 В?
- Скорее 120 В. Кроме того, приборы станут более компактными, телефоны, телевизоры, различные гаджеты существенно уменьшатся и будут потреблять значительно меньше энергии.
—А электромагнитные излучения станут менее интенсивными? Ведь они влияют на нас, и в том числе на наше здоровье.
- Понятно, что с уменьшением поглощаемой мощности уменьшается и мощность выделяемая. Таким образом, интенсивность электромагнитного излучения тоже будет снижаться. Хотя, на мой взгляд, она и сейчас находится на таком уровне, что не стоит обращать на это серьезного внимания.
- Итак, в России создан материал, который позволяет конкурировать с лучшими образцами западной технологии.
- Да, и это несомненное достижение отечественной науки, нашего национального исследовательского центра. Полученный нами материал мы сейчас патентуем. Хотелось бы отметить, что наша статья в престижном Nature Communications отмечена как одна из наиболее значительных (Editor's Highlight). Это при том что, к сожалению, российские ученые в такого рода топовых научных журналах представлены крайне незначительно. Если не ошибаюсь, за последние два года это первая публикация в журналах уровня Nature и Science чисто российского коллектива без участия западных соавторов, по результатам исследований, выполненных без привлечения западной инфраструктуры.
- С чем вы связываете такую низкую активность российской науки в этих журналах? Ведь, наверное, не с тем, что мы мало создаем новых разработок, а с чем-то другим?
- На мой взгляд, это складывалось исторически: российские исследования не были широко представлены в западной литературе. То. что российские ученые стали публиковаться сначала вместе с западными соавторами, выполняя работы на западных ускорителях. реакторах, либо просто в западных лабораториях, а теперь и самостоятельно. — это очень хорошо. Я сам с 1990 г. работал в Канаде, в Англии, в Швейцарии, проводя эксперименты на ускорителях. В России в это время не было конкурентоспособной инфраструктуры, которая бы позволяла нашим ученым осуществлять исследования на должном уровне, и это тоже сыграло свою роль. У меня много публикаций с западными соавторами по работам, выполненным в рамках западной инфраструктуры, в частности на ускорителях в Ванкувере. Филлигене. в Лаборатории Резерфорда — Эпплтона. В настоящее время появилась возможность выполнять работы мирового уровня, используя российскую инфраструктуру. в частности не имеющее аналогов оборудование нашего Курчатовского института. Тем более что руководство страны поставило задачу достижения независимости, паритета в технологических областях. Наша работа — важный шаг в этом направлении.
■
Беседовала Наталия Лескова
