«Наши разработки имеют огромную перспективу». Интервью с химиком Сергеем Козюхиным

Что такое Центр цвета и что там изучают? Какие загадки скрывает цветовая палитра? Почему важно изучение полупроводниковых материалов? Какие здесь имеются успехи у отечественных ученых? Об этом рассказывает Сергей Александрович Козюхин, доктор химических наук, главный научный сотрудник, заведующий Центром цвета Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН.

— Мы находимся в Институте общей и неорганической химии, в Центре цвета. Немного неожиданное для научного института название. Почему он так называется?

— Название действительно несколько необычное для академического института, но оно отражает наше стремление изучать материалы, обладающие интересными цветовыми характеристиками и, соответственно, функциональными возможностями для широкого круга задач.

В нашем телеграм-канале под нетривиальным названием «Квант цвета» мы пытаемся донести до читателей информацию о возможностях и перспективах цветных материалов, отдельные из которых человечество знает на протяжении нескольких тысячелетий. Все привыкли к кванту света, а само название «Квант цвета» может вызвать у кого-то неподдельный интерес, и подписчики смогут узнать, чем мы занимаемся, каковы наши последние успехи. Как ни странно, чем больше мы углубляемся в эту тематику, тем больше выясняется, что это сейчас очень актуально. Представление, что пигменты — только основа для красок, несколько устарело, на самом деле это современные функциональные материалы, которые применяются в фотонике, биофотонике, биомедицине, оптике, оптоэлектронике. Это очень интересно и перспективно.

— Это ваше научное хобби?

— Можно сказать и так, поскольку основное направление моей научной работы, которым я занимаюсь на протяжении 40 лет, — это полупроводниковые материалы, но не обычные кристаллические, а так называемые халькогенидные стеклообразные полупроводники (ХСП). Тут не обойтись без исторических экскурсов, поскольку 70 лет назад эти материалы впервые были открыты в Советском Союзе в Физико-техническом институте АН СССР в Ленинграде, и ХСП прошли большой путь как в фундаментальном развитии, так и в прикладном. Сегодня мне хотелось бы рассказать о том, где эти материалы находят практическое применение и что мы делаем для того, чтобы их использовать как функциональные материалы.

— Что же вы для этого делаете?

— Было очень необычно, что стекла и аморфные пленки проявляют полупроводниковые свойства. Это открытие получило бурное развитие во всем мире, потому что в таких полупроводниках открыли много необычных эффектов, которые не наблюдались в кристаллических полупроводниках. Одним из них был эффект электронного переключения, который тоже открыли в Ленинграде в Физтехе. В чем он состоял? ХСП изначально высокоомные, они плохо проводят ток, но в какой-то момент при определенном напряжении, оставаясь аморфными, они переходили в низкоомное состояние, то есть каким-то чудесным образом начинали хорошо проводить ток. Если напряжение убиралось, они опять возвращались в исходное состояние, то есть становились высокоомными. Эффект получил название электронного переключения, он был подтвержден во многих лабораториях мира.

Достаточно быстро обнаружился и следующий эффект: если мы не будем снимать напряжение переключения, то материал достаточно быстро закристаллизуется и останется в низкоомном состоянии. Открытый феномен назвали эффектом переключения с памятью, фактически это было прямое указание на то, чтобы начать применять эффект на практике для устройств памяти. Получается, что мы можем при помощи электрического импульса переключать полупроводник между аморфным и кристаллическим состояниями. Несомненным достоинством было то, что напряжение и, соответственно, энергия, которая нужна для того, чтобы переключить ХСП, относительно невелики. Взрывной интерес к этой тематике появился в начале 1970-х гг. в США и в Советском Союзе, но в США это было в открытом доступе, а у нас с тремя буквами ДСП — «для служебного пользования».

— То есть это была закрытая тематика?

— Да. Но именно в начале 1970-х гг. сделали первые ячейки памяти на этих ХСП. Тогда специалисты в области стеклообразных полупроводников думали: сейчас ХСП вытеснят или как минимум сильно потеснят кристаллические полупроводники, потому что перспективы колоссальные. Технология производства гораздо более простая и дешевая, эти материалы радиационно стойкие, а тогда тема космоса была необычайно актуальна. Но достаточно быстро выяснилось, что это «красиво» только на лабораторных прототипах. Обнаружилась тривиальная проблема: когда начинали внедрять как у нас, так и в западных компаниях, оказалось, что выход годных приборов низкий — чуть больше 70%. Для промышленности это было неприемлемо. После этого интерес к эффекту переключения на ХСП в значительной степени сфокусировался в фундаментальной плоскости, потому что сама природа переключения из высокоомного в низкоомное состояние считается дискуссионной и теоретики до сих пор предлагают разные решения.

— То есть это до сих пор непонятно?

— Единого понимания нет, хотя все время возникают разные догадки. Итак, интерес у промышленности упал, но остались научные группы, продолжавшие этим заниматься, и одна из них была в Японии. Группа работала на большую корпорацию, продолжавшую упорно заниматься эффектом электронного переключения в ХСП и поиском стабильных составов для того, чтобы это можно было внедрить в промышленность. И их исследования увенчались триумфом. Стратегия японских ученых была такая: им нужны были материалы на основе халькогенидов, которые бы демонстрировали высокую скорость кристаллизации, потому что получить в аморфном состоянии можно практически любые материалы, для этого необходимо лишь обеспечить необходимую скорость охлаждения, а закристаллизовать с высокой скоростью — это уже научная проблема, потому что в аморфной фазе атомы расположены беспорядочно и их требуется перевести в упорядоченное состояние. Сделать это непросто, поскольку кристаллизация — диффузионный процесс, который происходит медленно. И в конце 1980-х гг. появилась работа японской группы, где они представили весьма достойное достижение: это были полупроводники тройной системы «германий — сурьма — теллур», которые показывали феноменальные результаты, а именно обратимо и стабильно переключались между аморфным и кристаллическим состояниями при очень привлекательных параметрах переключения.

— Нашло ли это практическое применение?

— В начале 1990-х гг. научный мир это прочувствовал, попробовал, и начался бум и в фундаментальном плане, и в промышленности. Промышленность была в этом заинтересована, потому что на основе этих материалов можно было сделать стабильно работающие устройства памяти. Переключение можно было производить как электрическим импульсом, так и лазером. Многие помнят, что в 1990-е гг. практически везде продавались перезаписываемые оптические диски. Можно было купить такой диск, записать любую информацию, потом ее стереть и снова записать. Перспективы казались фантастическими. Действительно, оптические диски формата DVD-RV были коммерчески доступны, потом на рынке появились диски формата Blu-ray, где использовался лазер с длиной волны 405 нм. Поскольку величина одной ячейки, куда записывается бит информации, зависит от длины волны лазера (длина волны больше — она больше, меньше — она меньше), то для увеличения плотности записи на диске стандартного размера естественное решение — уменьшение длины волны лазера.

— Но ведь примерно в это время появились облачные хранилища информации…

— Совершенно верно. В качестве хранилищ стали использовать облачные решения, интернет распространялся очень быстро, и по понятной причине это оказалось экономически более выгодно. Интерес к оптическим дискам пропал. Сейчас у них есть нишевые применения, их иногда используют, но не так часто, как думали 30 лет назад. Конкурировать с облачными хранилищами им достаточно сложно. Матрицы памяти, в которых переключение осуществляется электрическим импульсом, более востребованы, они выпускаются несколькими крупными производителями микроэлектроники и применяются во многих смартфонах в качестве оперативной памяти.

— Какие у вас есть разработки?

— Мы начинали с традиционного состава «германий — сурьма — теллур» (GST), который уже стал классическим, и у нас была задача: увеличить скорость кристаллизации, используя наши компетенции в области полупроводникового материаловедения и химии. Вариант, который мы пробовали, — сделать это за счет легирования, поскольку для полупроводников легирование — базовая операция. В кристаллических полупроводниках, легируя, вы можете существенно менять необходимые функциональные свойства, например тип и величину проводимости. В некристаллических полупроводниках это так не работает, поэтому считается, что они не легируются. Это связано с их зонной структурой, и, чтобы добиться эффекта при легировании, надо либо вводить очень много какого-то элемента, либо подбирать специальные примеси. Мы этой задачей занимались лет пять и достигли хороших результатов, например при легировании составов GST оловом. Затем мы стали исследовать, каким образом, не меняя состав материала, можно влиять на параметры кристаллизации, если использовать лазеры, в частности фемтосекундное лазерное облучение. Сейчас фемтосекундные лазеры стали более массовым устройством, а восемь лет назад наши коллеги в РХТУ им. Д.И. Менделеева предоставили нам возможность посотрудничать с ними в этом направлении. У них очень хорошая оптическая лаборатория, имеются соответствующие лазеры, мы, соответственно, получали аморфные пленки GST, они их облучали фемтосекундным лазером согласно нашим рекомендациям, после чего мы пленки исследовали.

— Что же в результате получилось?

— Здесь есть два направления, в которых мы работаем до сих пор. Во-первых, выполненная экспериментальная и теоретическая работа позволила выявить скорость кристаллизации, какой можно достичь при применении фемтосекундного лазерного облучения. Задача эта непростая, потому что материалы GST можно получить в аморфном состоянии только в виде тонкой пленки. Большую роль играет толщина этой пленки, важно, на какую подложку ее напылили. Имеется еще ряд параметров, оказывающих влияние на скорость кристаллизации, например, примеси в материале. При облучении лазером стояла фундаментальная задача: можно ли подобрать такие режимы, чтобы одним фемтосекундным импульсом закристаллизовать эту пленку? Напомню, что фемтосекундный импульс — это 10^-15 с. Можно ли за такое время перевести аморфную пленку в кристаллическое состояние? Нам удалось при определенных условиях закристаллизовать аморфную пленку одним фемтосекундным лазером.

— И что это дало?

— Важен сам факт, что в принципе это возможно. Следующий этап — как это можно использовать в практических применениях, над чем мы сейчас и работаем.

Второе направление, которое нас заинтересовало, представляло собой область фундаментальной науки, отличающейся эстетической привлекательностью. Известно, что при воздействии фемтосекундных импульсов на материал на его поверхности формируются периодические структуры, которые по-английски называют Ripple — рябь, волнистость. Когда я их увидел первый раз, на меня это произвело сильное эстетическое впечатление. Вы просто светите, и у вас получается картина, похожая на то, как круги расходятся по воде, если бросить камень, или как в пустыне формируются барханы. Но только в случае лазерного облучения это происходит в микронном или субмикронном масштабе. Эффект наблюдался на разных материалах: металлах, неорганических стеклах, полупроводниках. А вот на фазопеременных материалах типа GST, которыми мы занимаемся, эффект практически не исследовался, было всего две работы. Я был настолько впечатлен этим эффектом, что поставил себе задачу научиться получать такие картины на фазопеременных материалах.

Мы потратили немало времени и научились получать эти периодические структуры на материалах типа GST и родственных, например пленках состава GeTe. Выяснилась очень интересная вещь: в случае фазопеременных материалов получается практически плоская структура, в том смысле, что она не похожа на рябь. Но зато в ней хорошо чередуются аморфные и кристаллические полоски. Период чередующихся полосок — это длина волны лазера, которым мы облучаем пленку. Получаются очень красивые полоски. Потребовалось приложить много усилий, провести большое количество экспериментов, чтобы подобрать режимы облучения, мощность и количество импульсов. Мы с коллегами научились осуществлять это настолько хорошо, что несколько лет назад на этом сделали дифракционную решетку.

— А зачем вы это делали? Просто чтобы удовлетворить свое эстетическое чувство?

— Эстетическое чувство было удовлетворено, но стоял вопрос о неких практических применениях. Это очень простой способ получения, например, дифракционных решеток.

— Для чего это нужно?

— В фотонике и оптике дифракционные решетки применяются для многих приложений. Применительно к фазопеременным материалам можно нанести, например, аморфную пленку на световод, лазером записать дифракционную решетку, и будет происходить дифракция света. Можно создать периодическую структуру в аморфной пленке GST, которая напылена на боковую поверхность световода и которая будет работать как распределенный брэгговский отражатель. Такие структуры можно стирать лазером: вы записали такую структуру, посветили лазером с большей мощностью, и все возвращается опять в аморфное состояние.

— То есть это можно использовать несколько раз?

— Много раз. Это как доска, на которой пишут мелом. Тогда мы стали выходить на тех, кто профессионально занимается фотоникой, ведь для нее это может быть интересно. И действительно, сейчас мы находимся на этапе, когда, используя наши наработки по записи, по кристаллизации, по перезаписи с помощью фемтосекундного лазера, наши коллеги в области фотоники пытаются сделать устройства, которые бы управляли светом с помощью фазопеременных материалов. Стоит именно такая задача — управление светом.

— Какие вы видите перспективы применения этих наработок?

— Сейчас у нас сформировалась идея сделать фотонную интегральную схему, где будет происходить такое управление светом. Это обусловлено необходимостью создания оптических квантовых вычислителей.

— Можно ли сделать квантовый компьютер на основе этой интегральной схемы?

— Это может быть одним из его компонентов. Есть многочисленные приложения, где используется волоконная оптика. Нанося на световод фазопеременный материал, можно изменять его показатель преломления, регулируя фазовое состояние пленки и, соответственно, управляя проходящим световым потоком. Мы сейчас находимся на этапе, когда наши наработки в области лазерной обработки материалов ищут своих потребителей и, надеюсь, дойдут до практического воплощения.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ