Наноиндустрия: ускорение времени

Наноиндустрия… Сегодня она плотно вошла в нашу жизнь и проявляется на каждом шагу, хотя мы можем этого не замечать. Ведь «нано» значит «маленький». Какую роль наноиндустрия играет в нашей жизни? Какие здесь существуют разработки, вызовы и перспективы? Как с помощью некоторых разработок можно вылечить рак или тяжелую вирусную инфекцию? Об этом рассказывает кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Щеглов, заместитель директора по развитию Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.

Что такое наноиндустрия?

Наноиндустрия ― это вся отрасль экономики, где объектами производства и реализации служат продукты, функциональное свойство которых напрямую определяется их малыми размерами или малыми размерами какой-либо их части. Можно было бы сказать, что раз предметы вокруг нас и мы сами состоим из атомов, то все это ― продукт наноиндустрии, ведь размер атома — около 0,1 нм.

Но важно, что такое определяющееся малостью размеров ключевое свойство этого объекта ― искусственно созданное, уникальное, отличающее его от остальных. При этом принято считать, что создание подобных объектов должно быть воспроизводимым, а размеры объекта или его части, определяющие его новое свойство, должны быть много меньше 100 нм. Соответственно, индустрия, которая оперирует такими методами, технологиями и продуктами, создает их, реализует, ― это и есть наноиндустрия. Наиболее явным и выразительным переход в «нано» стал в физике полупроводников. Этот переход за последние 50–60 лет принес кардинальные, можно сказать, цивилизационные перемены в традиционную модель развития общества не только в России, но и во всем мире.

Мы ждем перемен

О чем идет речь? У человека появилось дополнительное социальное и информационное пространство, мы расширили ареал своих чувств, раздвинули границы своего существования. У человека как объекта социума появилась дополнительная степень свободы. Если раньше он общался с несколькими десятками людей, то теперь его круг общения гораздо шире. Это заставляет быстрее реагировать, принимать решения, осуществлять полезную деятельность. Время ускорилось.

С утилитарной точки зрения такая дополнительная степень свободы улучшила качество жизни человека, потому что многие процессы стали автоматизироваться, появились базы данных. Например, еще 30–40 лет назад для чтения книги нужно было идти в библиотеку, делать запрос на книжку, зачастую ждать, когда ее кто-нибудь сдаст. Сейчас такой проблемы нет.

Но в этом был и плюс: каждый шаг ― это тщательное изучение какой-то задачи, времени было гораздо больше. Сейчас доступность знаний снижает их значимость, и это беда нынешнего образования: каждый школьник или студент может открыть лекции по нужной теме от 30 или 50 профессоров и прочитать. Но вопрос: насколько он во всем этом захочет разобраться, сколько будет способен понять и как потом сможет этим оперировать? Природу не обманешь: нашему мозгу нужно нарабатывать практику, он так устроен. Если человек просто посмотрел на решение какой-то задачи, то пройдет время — и он это решение забудет.

Проблема двоякая, она ставит перед нашей цивилизацией вопросы: в каком направлении мы дальше будем развиваться, не вызовет ли такое расширение пространства деградацию цивилизации? Есть много антиутопических романов, где это все описывается: человек деградировал, все делают роботы, или человек ушел в виртуальное пространство и там счастливо живет. Мы наблюдаем это уже сейчас.

Что такое хорошо…  

Подобный прогресс ― естественный путь развития. И главным двигателем этого прогресса стала физика полупроводников, кремниевая микроэлектроника.

Д.В. Щеглов: «Наш институт ― ровесник бума микроэлектроники, мы идем в ногу с современными тенденциями, а многие из них задаем. Современная физика полупроводников переосмысливается сейчас в части мезоскопической физики, физики низкоразмерных систем. Другими словами, новые свойства миниатюрных электронных, фотонных или квантовых твердотельных систем определяются как раз их размерами. Например, это определяет свойства таких перспективных объектов нашей науки, как квантовые точки или двумерный электронный газ. В этом смысле мы занимаемся созданием таких новых материалов, которых в природе не может существовать».

Уникальные технологии

Институт физики полупроводников ― один из «законодателей мод» в этой части. Здесь возникло множество направлений, впоследствии подхваченных научным миром России. Одним из ярких примеров может служить развитие в институте молекулярно-лучевой эпитаксии. С ее помощью можно создавать материалы, в которых каждый следующий атомный слой (монослой) состоит из своего типа атомов, причем точность создания одинакова. И таких примеров множество.

Сейчас наноиндустрия расширяет свои направления в науке. Практически все новые химические, физические свойства, появляющиеся при уменьшении характерных размеров, чаще всего связаны с квантовым размерным эффектом, базирующимся на основополагающих доктринах квантовой механики, когда длина волны частицы (например, электрона) становится сравнимой с характерным размером взаимодействующей с ней структуры.

Квантовая механика ― это революционная мировоззренческая философия, новый нетривиальный подход к описанию окружающего нас мира. Именно такой подход выявил и продолжает выявлять новые свойства материи, которые в основном проявляются на малых размерах. И наш институт в этом смысле также держит руку на пульсе и активно работает на самых передовых направлениях.

Д.В. Щеглов: «Только в нашей лаборатории 17 разных направлений. Конкретная область, в которой работаю я, называется «нанодиагностика». Лаборатория нанодиагностики и нанолитографии института обладает парком самого современного оборудования для исследований объектов наноиндустрии. Часто диагностика на наноуровне востребована для того, чтобы охарактеризовать нанообъекты и понять их свойства, но в основном она направлена на создание новых объектов, понимание новых явлений. На основе этого понимания можно сконструировать, собрать, построить новые объекты с новыми уникальными свойствами чуть ли не по атому».

На поверхности кристаллов

Одно из ключевых направлений лаборатории нанодиагностики института физики полупроводников ― исследование элементарных атомных процессов на поверхности кристаллов. Все кристаллы состоят из атомов, и если взять даже идеальный кристалл и попытаться срезать его очень гладко по какой-либо плоскости, то срез будет выглядеть как ступенчатая поверхность, состоящая из упакованных атомов, потому что отрезать точно по атомной плоскости не получится. При этом надо понимать, что такая свежесрезанная поверхность в комнатных условиях будет продолжать изменяться: поверхностные атомы не будут двигаться только при абсолютном нуле температуры и в сверхвысоком вакууме.

При комнатной температуре поверхностные атомы начинают двигаться вдоль поверхности, улетать с нее, входить в химические реакции с попадающими на нее из окружающего пространства атомами. И если такие условия и такая поверхность у нас есть, мы разбираемся, как атомы двигаются по поверхности, как ими можно управлять, какие явления лежат в основе этого возможного управления механизмами построения из атомов необходимой нам структуры.

Это привело к тому, что процессы самоорганизации позволили создавать объекты, превышающие по своим характеристикам те, что создаются с помощью других методов, например литографических, когда вы берете специальные приборы и пытаетесь вырезать объект из кристалла. Здесь занимаются  наукой именно с упором на физику процессов самоорганизации.

Д.В. Щеглов: «Я часто рассказываю студентам: представьте, что к нам в 1960-х гг. на автомобильный завод привезли самый передовой зарубежный автомобиль и сказали: надо повторить. Конструкторы разбирают автомобиль, смотрят, как детали соединяются между собой, как каждая из них сделана, из какого материала. Создают чертежи, потом приборную базу, на основе которой делают такие детали и материалы, а после этого конструкторы пытаются все это собрать по аналогии. И вот выезжает похожий автомобиль. Из-за большого аддитивного накопления ошибок такой автомобиль может быть даже не похож на изначальный, а если не понимать суть процессов, заложенных в двигатель или трансмиссию, то он и не поедет. Мы пытаемся создать такую стену, о которую детали, сделанные для наших автомобилей и собранные все вместе, ударятся с большой скоростью и превратятся в автомобиль, привезенный нам для воспроизводства. Такая задача практически всегда не имеет решения, но иногда, очень редко, имеет. Мы ищем такие решения. Это некое волшебство».

Например, по одному из направлений в лаборатории сейчас обсуждают создание российского кубита. Это один из краеугольных камней: есть понятие квантового превосходства, которое можно сравнить с информационным превосходством. Страна, обладающая наибольшей информационной мощью, будет задавать тренды во многих вопросах, потому что она будет опережающим образом их прогнозировать, быстрее производить расчеты, анализировать процессы, тратить на такие расчеты меньше энергии.

Квантовая передача информации, квантовое вычисление ― это следующий этап информационной революции, который позволит государству занять лидерские позиции во многих направлениях. В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН тоже стараются над этим работать. Здесь ведется совместное исследование с Институтом физики микроструктур РАН (Нижний Новгород) под эгидой Российского квантового центра по созданию кремниевого кубита.

Уникальные меры

Сейчас много говорят о квантовом компьютере. Его можно сделать, но, чтобы он не стоял в единственном месте с очень дорогим часом работы, а был востребован во многих областях экономики, машиностроения, он должен быть очень хорошо сопряжен с современной электронной базой.

Многие миллиарды долларов уже вложены во всем мире в создание кремниевых чипов для компьютеров, поэтому не получится быстро перейти на другую базу. Для широкого распространения необходимо попытаться создать такой базовый элемент квантового компьютера ― кубит, ― который был бы совместим с существующей счетной элементной базой. Поэтому мы занимаемся кремнием. Хотя некоторые материалы подходят для кубита лучше. В наноиндустрии свойства объектов определяются размером, при этом зачастую даже небольшое отклонение от заданного параметра длины кардинально меняет свойства объекта. И когда ученые работают с все уменьшающимися размерами, погрешность измерения таких размеров тоже должна уменьшаться. Если 100 нм еще можно измерить с погрешностью в 1 нм, то что делать, если речь идет об одном атоме?

Оказывается, это большая проблема, и она связана с другой вспомогательной, но важной сферой технологий и индустрии ― стандартизацией и метрологией. И здесь тоже необходимо держать руку на пульсе, потому что та страна, которая сможет обладать уникальными и быстрыми возможностями точного измерения нанообъектов, будет проводить исследования и разработки с большей эффективностью.

Один из важных аспектов, подтверждающих научность исследований, ― воспроизводимость свойств на основе прогноза. А воспроизводимость размеров жестко связана с точностью их измерений. Ведь если мы работаем с очень маленькими объектами, нам надо знать их размер с погрешностью, которая была бы хотя бы в несколько раз меньше, чем сам измеряемый параметр.

Д.В. Щеглов: «Образно это можно представить так. Предположим, у меня есть карандаш и я должен измерить его линейкой с точностью до миллиметра. Это приемлемая точность, мы уже можем описать разные карандаши из разных стран, и они будут друг на друга похожи. А если мы измеряем карандаш с точностью до половинки карандаша, то все эти карандаши будут разными, и даже если с ними проводить одинаковые операции, то результаты будут разными».

С точностью до атома

Поэтому здесь создали такой объект ― своеобразную «линейку», которая позволяет методом сравнения измерять размеры во всем диапазоне длин нанометрового диапазона (от 100 нм и до 0,06 нм со статистической точностью, лучшей, чем 0,03 нм, и с пиковой точностью, лучшей, чем 0,4 пм). Сложность заключается в том, что такая «линейка» не может быть создана существующими технологическими подходами «сверху вниз». Для ее создания необходимо задействовать процессы самоорганизации, подход по типу «снизу вверх». Эта работа в лаборатории началась в 2004 г., в 2011 г. ученые сделали такую «линейку», которую в метрологическом мире называют мерой для измерения от 0,3 нм до 30 нм, а в 2023 г. она была усовершенствована для измерения размеров любых объектов от долей атома до 100 нм. Это приблизительно несколько тысяч атомов в поперечнике.

Такой подход дает большие возможности для сравнения нанообъектов друг с другом, привязке к ним их свойств, причем точность измерения одного объекта составляет 0,4 пм ― на грани мировых рекордов.

Д.В. Щеглов: «Правильность нашего пути подтвердила в 2019 г. и Парижская палата мер и весов, которая ввела рекомендацию по привязке к первичному эталону метра, связанную с моноатомными ступенями на поверхности кремния. Теперь не требуется измерять объекты с помощью предыдущего вторичного эталона на основе длины волны стабилизированного HeNe-лазера, а достаточно взять ступенчатую поверхность кремния и сравнить объекты с высотой моноатомной ступени на ней. А мы как раз занимаемся поверхностью кремния».

Свет мой, зеркало

Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН ― один из немногих в мире, который может создавать такие выверенные с точностью до одной моноатомной ступени объекты методом самоорганизации. На их основе здесь создают не только линейки-меры, но и уникальные зеркала. В институте сделали зеркало, гладкость (шероховатость) которого определяется уже отдельными атомами. Эта почти абсолютно гладкая атомная плоскость называется сингулярной. Если разрезать кристалл и окажется, что вы случайно разрезали его по атомной плоскости, то у вас будет идеальная сингулярная поверхность с предельно малой шероховатостью. Но получить ее очень маловероятно, а в нужной области с необходимым размером практически невозможно.

Поэтому здесь придумали за счет методов самоорганизации, как сделать абсолютно гладкие зеркала, как разогнать атомы на поверхности кристалла так, чтобы они сами организовывали необходимую конфигурацию.

Такие зеркала не только получены, но и активно внедряются. Например, сейчас идет разработка уникального оптического микроскопа на основе этого зеркала, который будет позволять более простыми методами строить трехмерное изображение поверхностей с ангстремной точностью. Ангстрем ― одна десятая нанометра, приблизительно как размер атома водорода. С такой точностью можно будет строить трехмерную карту поверхности по вертикали.

Спасти чью-то жизнь

Д.В. Щеглов: «Лаборатория активно вовлечена в медицинские исследования. Например, в профильном физическом журнале Applied Surface Science вышла статья, над которой мы работали совместно с медиками НМИЦ им. А.Е. Мешалкина под руководством И.Ю. Журавлевой, разрабатывающими с рядом научных организаций стенты на основе нитинола. Нашей задачей стал микроскопический анализ поверхности стентов. По результатам совместных исследований выдвинуто предположение (doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.152059) о том, что зарастание стентов материалами, содержащимися в крови, можно кардинально уменьшить, если сделать их максимально гладкими».

Таких работ, выполненных совместно с разными организациями, ― десятки. Сегодня с лабораторией Д.В. Щеглова активно сотрудничает ГНЦ ВБ «Вектор» в Кольцове. Сейчас в институте разрабатывают микроэлектронную часть трех видов тестов, основанных на полупроводниковых нанотехнологиях. Речь идет о том, что если сделать очень маленькую проволочку или разрыв (точечный контакт), то их проводимость будет крайне чувствительна к своим поверхностным состояниям, то есть к тому, что на поверхности проволочки или в наноразрыве. И если поместить на поверхность такой проволоки или в разрыв специфический рецептор к тому или иному агенту, то при попадании на подобный рецептор агента (вируса, клетки и т.п.) сразу возникнет очень сильный сигнал.

«Поймать» рак или вирус

Д.В. Щеглов: «Например, вы расположили там агенты, прицепляющиеся к характерным раковым следовым элементам, капнули на сенсор капельку крови, и если в крови есть элементы, соответствующие раку, то сигнал с проволоки оперативно даст знать об этом. Таким образом, при массовой реализации таких чипов проблему можно будет распознать на ранней стадии, потому что чувствительность подобных сенсоров очень высока».

Это касается и вирусных частиц, и болезней бактериологического характера. Подобные работы в сотрудничестве с медучреждениями здесь всегда ставят в приоритет, поскольку они способны спасти многие жизни.

Углеродные наноматериалы

В последнее время углеродным наноматериалам посвящено очень много исследований, но до сих пор не решена проблема совмещения, например, углеродных нанотрубок или графена с кремниевой технологией. Массив углеродных трубок обладает очень высокой удельной поверхностью. При низкой плотности трубки могут быть металлическими и полупроводниковыми, в некоторых направлениях их прочность сравнима с алмазом. В этом смысле поиск путей использования их свойств в кремниевых технологиях ― отдельная тема исследований, где уже более 15 лет наблюдается бум.

В лаборатории совместно с Институтом нанотехнологий микроэлектроники РАН ведутся работы по разработке нового типа эффективных поглотителей для широкого спектра электромагнитного излучения.

Д.В. Щеглов: «Углеродные нанотрубки очень хорошо подходят для этого: в видимом диапазоне волн выращенная нами пленка из нанотрубок отлично все поглощает и выглядит настолько черной, словно ты смотришь в черную дыру. Глазу не за что зацепиться, и это даже немного пугает. Но в большей степени радует, потому что мы находимся в активном творческом процессе, на острие науки».

Статья подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Автор фото: Андрей Афанасьев