На экскурсиях, приуроченных ко Дню российской науки, девятиклассники Новосибирска и Краснообска побывали в лабораториях Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН.
Александр Комонов. Фото Владимира Трифутина
Школьники узнали о возможных героях электроники будущего — графене и диоксиде ванадия, а также прослушали лекцию о тепловидении. Графен может использоваться для разработки гибких и носимых устройств, диоксид ванадия — для создания искусственных нейронов, а следовательно, и нейроморфной электроники. Ожидается, что ее энергоэффективность, многозадачность и скорость работы будут близки к функциональным характеристикам человеческого мозга.
«Нейроморфная электроника вдохновлена работой человеческого мозга»
«Слово “нейро” значит относящийся к нервной системе. Нейроморфная электроника вдохновлена работой человеческого мозга. Нейроны (нервные клетки) обмениваются информацией с помощью электрических импульсов, поэтому задача в том, чтобы создать искусственные нейроны, которые будут решать класс задач, на который не способна классическая электроника, например, быстро и точно распознавать изображения.
Диоксид ванадия очень хорошо подходит для создания искусственных нейронов. Его особенность в фазовом переходе: из металлической фазы с маленьким сопротивлением в полупроводниковую — с большим.
Если нагреть диоксид ванадия, он резко изменит сопротивление — на пять порядков, что можно использовать для изготовления новой электронной компонентной базы. Сейчас вся компьютерная логика построена на двоичном коде: переключение между 0 и 1 обеспечивают кремниевые транзисторы. Диоксид ванадия тоже способен переключаться, но намного быстрее и эффективнее кремния», — объяснил Кирилл Евгеньевич Капогузов, аспирант молодежной лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН.
Ученые ИФП СО РАН научились синтезировать высококачественные пленки диоксида ванадия (VO2) на кремниевой подложке, что открывает путь для массового применения.
Установку атомно-слоевого осаждения для синтеза соединения показал экскурсантам младший научный сотрудник лаборатории нанотехнологий и наноматериалов ИФП СО РАН Евгений Кястутисович Багочюс, объяснив принцип ее работы: «К примеру, у нас есть интегральная схема, в ней масса транзисторов, сделанных по технологической норме в 90, 40, 20 нанометров. А есть ещё слой диэлектрика в 10 раз меньше: как нам гарантированно получать такие тонкие слои? Здесь на помощь приходит физический принцип атомно-слоевого осаждения: мы берём молекулу, у которой есть металлическое “ядро” и длинный органический “хвост”. Когда мы напускаем газ из этих молекул в реактор, молекулы осаждаются на подложку одним концом — металлическим, а второй торчит в воздухе и не дает осаждаться следующему слою – на подложке получается слой атомарной толщины. Затем продуваем камеру интертным газом, откачиваем и запускаем окислитель, который удаляет “хвосты”, и у нас остается тонкая пленка материала нужного состава. Так мы повторяем операцию несколько раз, чтобы получить заданную толщину».
Ощупать наночастицы и построить карту наноструктуры
О способах исследования и изменения на наноуровне полученных тонких пленок с помощью атомно-силового микроскопа школьники узнали от инженера лаборатории физики и технологии трехмерных наноструктур ИФП СО РАН Александра Ивановича Комонова.
«Оптический и даже электронный микроскоп по принципу работы похожи на ваши глаза — в первом случае летит поток фотонов, во втором — электронов, и на основе их взаимодействия с веществом строится картинка. Атомно-силовой микроскоп скорее похож на вашу руку, потому что он, по сути, ощупывает поверхность. Рабочий элемент микроскопа — маленький чип, его можно разглядеть невооруженным глазом, а если посмотреть на него в лупу, то мы увидим маленькую балку: из нее торчит иголочка, которую нельзя увидеть даже в оптический микроскоп. Иголочка очень острая – на конце у нее несколько атомов. Такой иголочкой прибор бороздит всю поверхность, создавая своеобразную карту высот образца.
Существует целый класс таких приборов, например, тот, на котором я работаю, — сканирующий зондовый микроскоп. Он фиксирует силу взаимодействия иголочки с образцом, основываясь на кулоновском отталкивании: когда иголочка приближается близко к поверхности, то атомы поверхности отталкивают атомы иголочки, и мы фиксируем эту величину. Грубо говоря, мы движемся по ровной поверхности, встречаем “горку”, иголочка в неё упирается, атомы отталкивают друг друга, и игла отодвигается», — пояснил ученый.
Он добавил, что, сканируя поверхность образца, можно при необходимости ее изменять: «В зависимости от того, как вы умеете работать с прибором, вы можете практически не влиять на исследуемую структуру, а если нужно, наоборот, сильно воздействуете. Например, графен разрезаете иголкой атомно-силового микроскопа: получаете графеновую ленту из графеновой плоскости. В этой ленте будет уже сформирована запрещённая зона — так на исходно непригодной (для определенного класса задач) плёнке создается транзистор, где будет два уровня высокого и низкого тока».
Александр также напомнил слушателям, что атомно-силовая микроскопия сравнительно молодой вид диагностических исследований: Нобелевская премия за него была вручена в 1986 году. Метод бурно развивается, и каждые 5-10 лет прибор выходит на новый уровень: сегодня при картировании поверхности определяются сотни характеристик, наноособенностей, таких как сопротивление, магнитные свойства, причем в каждой точке образца.
В заключение ученый привел сравнение для пояснения масштабов, с которыми работает микроскоп: «Если взять наши нанообъекты (кристаллики диоксида ванадия) и насыпать на срез вашего волоса, их на нем поместится больше десяти тысяч».
Кирилл Капогузов. Фото Надежды Дмитриевой
Гибкая электроника: напечатал и готово
Компоненты печатной гибкой электроники — антенны, сенсоры, элементы памяти продемонстрировал ребятам научный сотрудник лаборатории нанотехнологий и наноматериалов кандидат физико-математических наук Артём Ильич Иванов.
Разработкой наноструктур на основе графена в ИФП СО РАН занимается научная группа под руководством ведущего научного сотрудника доктора физико-математических наук Ирины Вениаминовны Антоновой. Специалисты группы запатентовали несколько технологий, нужных для изготовления печатной гибкой электроники: фторирования графена, изготовления и нанесения графеновых чернил для печати.
«Мы печатаем наши структуры на 2D-принтере, он похож на обычный струйный принтер для бумаги, но заправляется специальными чернилами. Чтобы создавать электронные устройства, кроме проводящих материалов нужны диэлектрические. Чернила на основе чистого графена подходят для печати проводящих структур, а для изолирующих слоев мы разработали надежную, простую и недорогую технологию фторирования графена. Фторографен по структуре очень близок к графену, но не проводит электрический ток», — добавил Артём Иванов.
Графен — это атомы углерода, расположенные в один слой, такие слои способны растягиваться, изгибаться, хорошо проводят электрический ток и практически не портят процесс переноса электронов через свою структуру.
«Мы уже сделали и сейчас тестируем гибкие сенсоры, антенны для передачи сигнала. Другая разработка — гибкие элементы памяти на основе мемристоров», — отметил ученый.
Мемристор – от английского “memory resistor” – резистор, обладающий памятью. Он «запоминает», какое напряжение к нему приложено, и в зависимости от этого меняет сопротивление: становится проводящим или нет. Разница токов в проводящем и непроводящем состоянии мемристора может отличаться в сто миллионов раз, что очень удобно для конструирования больших логических схем. Подавая высокое напряжение, можно записать информацию, а затем ее считать, подавая более низкие напряжения, которые так и называются — считывающие.
«В отличие от транзистора, у которого три контакта, — у мемристора всего два. Соответственно, и разводка электрическая становится на треть меньше в сравнении с транзисторами, а значит, можно получить выигрыш в компактности микросхемы», — отметил исследователь.
Один из гибких графеновых сенсоров влажности, показанных Артёмом, можно напечатать на ткани и использовать для создания операционных масок, чтобы следить за дыханием пациента. А сенсор глюкозы, над которым работают ученые, предназначен для неинвазивного контроля уровня сахара в крови.
Поймать инфракрасные фотоны школьников
Готовый прибор, созданный в ИФП СО РАН, — медицинский тепловизор «СВИТ», школьникам представили ведущие инженеры-технологи ИФП СО РАН Артём Евгеньевич Настовьяк и Иван Викторович Мжельский и прочитали лекцию «Тепловидение» с показом демонстрационных опытов. Школьники разобрались, как устроен спектр электромагнитного излучения, принципы работы фотоприемной матрицы, увидели собственное тепловое излучение и определили ограничения тепловидения.
«Ученые все частички света разделяют на диапазоны: есть высокоэнергетичные частицы (гамма-излучение), рентген, ультрафиолет, оптический диапазон, инфракрасное излучение, микроволны, радиоволны, реликтовое излучение — все это свет с разными энергиями. А любое нагретое тело излучает инфракрасные фотоны — электромагнитные волны, но с разными длинами, в зависимости от температуры. Инфракрасное излучение открыл английский ученый Уильям Гершель в 1800 г., а через сто лет немецкий физик Макс Планк вывел формулу, описывающую, сколько фотонов излучает тело, нагретое до определенной температуры, и на какой длине волны это излучение происходит — с какой энергией летят фотоны», – объяснил Артём Настовьяк.
Он добавил, что каждый школьник тоже излучает инфракрасные фотоны. В видимом диапазоне (где длина волны света 0,4-0,7 микрон) за сутки вылетает лишь один фотон — недостаточно, чтобы мы могли заметить такое излучение. Поэтому тепловизионные матрицы, улавливающие инфракрасные фотоны от слабо нагретых тел, работают в другом диапазоне, детектируя фотоны с длиной волны от 3 до 5 микрон или от 8 до 14.
«Фотоприемные матрицы для фиксации таких фотонов сделаны на основе сложных полупроводниковых соединений — арсенида индия, теллурида кадмия и ртути. А схема считывания (мультиплексор) для обработки полученного сигнала — на основе кремния. Матрица и мультиплексор соединяются между собой с помощью специальных индиевых столбиков в результате очень точного и сложного технологического процесса, ведь совместить нужно миллионы фоточувствительных элементов матрицы с таким же количеством элементов схемы считывания», — отметил ученый.
Фоточувствительную в инфракрасном диапазоне матрицу на основе кремния создать невозможно, ведь кремний прозрачен в инфракрасном диапазоне. Его свойства наглядно продемонстрировал Иван Мжельский.
«Если мы закроем объектив тепловизора прозрачным для нашего глаза стеклом, то картинка исчезнет — стекло содержит большое количество воды, непрозрачной для инфракрасного излучения. А с пластиной кремния — наоборот, для невооруженного глаза она непрозрачна, а тепловизор “видит” объекты сквозь пластину», — показал Иван.
На основе тепловизора можно создать термограф: прибор, измеряющий температуру на расстоянии. Но у метода есть ограничения: например, если измерять температуру блестящего объекта, то прибор зафиксирует количество отраженных объектом фотонов и ошибется в оценке температуры.
«Прибор определяет температуру блестящей монетки, опущенной в жидкий азот, как восемь градусов. Но температура азота — минус 196 градусов Цельсия, и монетка остыла до такой же температуры. Ошибка возникает именно из-за того, что монетка отражает инфракрасные фотоны, приходящие к ней от нагретых объектов — стен, потолка», — пояснил И. Мжельский.
Как стать ученым?
Завершил экскурсию председатель Совета молодых ученых ИФП СО РАН, заведующий молодежной лабораторией кандидат физико-математических наук Денис Сергеевич Милахин, рассказав школьникам о том, как можно стать ученым и вести исследовательскую деятельность в Институте физики полупроводников: «Для того чтобы заниматься наукой, а это сейчас очень востребовано, нужно получить полное среднее образование, поступить в университет. Наш институт тесно работает с двумя вузами: Новосибирским государственным университетом и Новосибирским государственным техническим университетом. Первые два курса студенты получают базовое образование, а на третьем — начинается специализация, и вы можете попасть в ИФП СО РАН на практику, как правило, с профильных кафедр: физики полупроводников физического факультета НГУ и полупроводниковых приборов и микроэлектроники факультета радиотехники и электроники НГТУ НЭТИ. В целом научное образование состоит из трех ступеней: бакалавриат, магистратура и аспирантура. В нашем институте есть отдел аспирантуры, и эту часть обучения можно пройти прямо здесь».
После экскурсии все школьники получили на память мерч, специально разработанный для этой возрастной группы дизайнерами Новосибирского госуниверситета архитектуры, дизайна и искусств им. А.Д. Крячкова, — блокноты, ручки, значки и наклейки.
«Мне понравилось все, что было на экскурсии. Больше всего запомнилась лаборатория, где рассказали про атомно-силовой микроскоп и про гибкую электронику», — сказал Дмитрий, ученик девятого физико-математического класса лицея № 13 Краснообска.
«На мой взгляд, самым интересным был рассказ Артёма Иванова про оптические свойства крыльев бабочки, графеновую электронику. Впечатлил атомно-силовой микроскоп, потому что я специализируюсь еще и по биологии, и в этом контексте мне интересен был прибор», — отметила Мария, одноклассница Дмитрия.
Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
