В поисках идеальных поверхностей

Тонкие оптические покрытия широко применяются в бытовых, промышленных и научных оптических и оптоэлектронных приборах и устройствах. Например, экраны смартфонов, ноутбуков, объективы фотоаппаратов имеют покрытия, позволяющие улучшать качество изображения в видимом диапазоне. В уникальных лазерных установках необходимы покрытия, обеспечивающие баланс пропускания и отражения
генерируемого лазерного излучения. Специальные покрытия используются и в оптоволоконных кабелях, обеспечивающих передачу больших объемов информации. О процессах создания тонких пленок и суперкомпьютерном моделировании их структуры и свойств — наша беседа с ведущим научным сотрудником Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ имени М.В. Ломоносова Федором Григорьевым.

— Чем занимается  лаборатория, в который Вы работаете?

— Лаборатория вычислительных систем и прикладных технологий программирования НИВЦ МГУ, которую возглавляет Владимир Борисович Сулимов, объединяет два различных направления. Первое посвящено компьютерной разработке активных биомолекул, которые впоследствии могут стать лекарствами. Второе направление развивается в сотрудничестве с лабораторией Вычислительного эксперимента и моделирования НИВЦ МГУ, которую возглавляет Александр Владимирович Тихонравов, и связано с моделированием роста тонких оптических пленок, расчетом их структуры и свойств. В настоящее время я в основном занимаюсь вторым направлением.

— Что такое тонкие пленки?

— С тонкими пленками мы встречаемся каждый день. У каждого из нас есть смартфоны, чьи экраны покрыты такими пленками. Самая очевидная функция — защитная. Пленки защищают экран и матрицу от внешних контактов. Поэтому пленка должна быть твердой. Другая важная функция связана с отражением падающего света. Качество изображения будет выше, если пленка слабо отражает свет видимого диапазона — от 400 до 700 нанометров.

Это пример бытового использования тонких пленок. Есть и высокотехнологичные сферы применения. Тонкие пленки активно используют в лазерных технологиях.

Лазерный сигнал должен много раз проходить между различными зеркалами. Это позволяет возбудить как можно больше атомов для получения мощного сигнала. В этом случае требования к коэффициентам пропускания и отражения намного серьезнее, чем при создании экранов смартфонов. Например, коэффициент отражения на длине волны генерируемого излучения должен быть более 99%.

— Опишите процесс создания тонких пленок.

— Существуют различные технологии создания тонких пленок. Один из самых распространенных — метод напыления на подложку в вакуумной камере. Например, при напылении пленки диоксида кремния пучок ионов аргона, ускоренных электрическим полем,  выбивает атомы кремния из мишени. Эти атомы движутся сквозь вакуумную камеру к подложке, на поверхности которой и происходит рост пленки, слой за слоем. Свойства пленок зависят от условий напыления. Мы развиваем методы  суперкомпьютерного моделирования, которые позволят  предсказывать, как условия изготовления пленок влияют на их свойства.

— Каким образом вы это определяете?

— Процесс роста пленки на подложке происходит на атомарном уровне. Отдельные атомы падают на подложку и формируют химические связи на ее поверхности. Структура растущей пленки сильно зависит от способа напыления. Например, если кинетическая энергия напыляемых атомов гораздо ниже энергии химической связи, пленка получается пористой. При высокоэнергетическом напылении, когда энергия напыляемых атомов больше энергии связи, эти атомы ударяют по пленке словно кувалда. В результате получается плотная пленка. У каждой из них есть свои преимущества. Плотная пленка обладает высокой прочностью, и ее структура остается постоянной в условиях воздействия внешней среды. При этом у такой пленки высокий показатель преломления — как у оконного стекла. Соответственно, выше коэффициент отражения

У пористой пленки, напротив, коэффициент отражения небольшой. Но она быстро деградирует, так как поры постепенно заполняются малыми молекулами, которые проникают в пленку из окружающей среды . Из-за этого ухудшаются ее свойства. Для создания качественного покрытия, удовлетворяющего все требованиям, необходимо найти оптимальные условия напыления.  

С помощью суперкомпьютеров «Ломоносов» и «Ломоносов-2» мы проводим моделирование роста пленок на технологической толщине, примерно равной четверти волны видимого света в материале пленки — около ста нанометров. Атомистическое молекулярно-динамическое моделирование на таких толщинах проводится сейчас только в МГУ и стало возможно благодаря использованию уже упомянутых суперкомпьютеров

— Какие данные используются для моделирования?

— Можно выделить три основных параметра. Первый — температура подложки. Существуют холодные подложки комнатной температуры и горячие — около 200 градусов Цельсия. Второй параметр — энергия атомов. А третий — угол, под которым атомы попадают на подложку. При малых углах напыления и высокой энергии атомов на подложке формируется плотная однородная пленка. При больших углах напыления, когда атомы движутся к подложке почти параллельно ей, могут формироваться самые разнообразные структуры, похожие на спирали, шевроны — как у военных на погонах, конусы, столбы и т. д. Это весьма своеобразный наномир с причудливыми  структурами, обладающими различными свойствами.

Одна из наших задач — предсказать, какие структуры могут получиться в том или ином случае.

— Сотрудничаете ли вы с производителями покрытий?

— Мы сотрудничаем с НПО «Луч», которое занимается производством оптических покрытий для лазерной установки, которую строит Российский федеральный ядерный центр в Сарове. Вместе с экспериментаторами объединения мы корректируем математические модели и условия эксперимента, чтобы прийти к нужному результату.

— Какие вызовы стоят сегодня перед вами и другими специалистами в этой сфере?

— По сравнению с экспериментом моделирование имеет и преимущества и недостатки. В нашей лаборатории используется метод молекулярной динамики, когда атомы рассматриваются как частицы, движущиеся в соответствии с законами Ньютона. В рамках этого метода мы легко можем менять параметры: плотность потока, температуру подложки, энергию атомов. В то время как в эксперименте это сделать гораздо сложнее. В этом наше преимущество.

Но есть и недостаток. Мы пока с трудом переходим от одного вещества к другому. Сейчас, в основном, мы работам с пленками из диоксида кремния. Но нужны и другие: из диоксида циркония, диоксида гафния, диоксида титана. При молекулярно-динамическом моделировании переход с одного вещества на другое представляет реальную проблему, так как необходимо  подбирать потенциалы, описывающие взаимодействие между атомами. Сейчас — это один из главных вопросов, которые необходимо решить.

С экспериментальной точки зрения довольно сложно определить, как именно изменение параметров напыления  влияет на структуру пленки. Это связано с малой толщиной пленок и неупорядоченностью ее структуры. Именно поэтому для исследования связи между условиями напыления пленок и их свойствами применяется моделирование, результативность которого напрямую зависит от развития суперкомпьютерных технологий.

— Как вы работаете сейчас — в условиях самоизоляции?

— Наша работа связана с моделированием, поэтому нам легче, чем, например, экспериментаторам.  Руководство НИВЦ МГУ делает всё возможное, чтобы смягчить возникающие трудности. А работа с суперкомпьютером давно перешла в удаленный формат.

К сожалению, многие из запланированных конференций, как уже ясно сейчас, будут отменены или проведены в онлайн формате. Сложно компенсировать живое общение лицом к лицу с коллегами. Надеемся, ограничения, введенные в связи с пандемией, будут сняты в обозримое время.    

Фото на странице из личного архива. Предоставлено Ф. Григорьевым