КАК УПРАВЛЯТЬ НАНОМИРОМ?
Известная российская нанотехнологическая фирма NT-МDТ (г. Зеленоград), разрабатывающая и производящая сканирующие зондовые микроскопы и другую высокотехнологичную наукоемкую технику, традиционно проводит конкурсы среди своих клиентов, пользователей этого уникального оборудования.
Галина Шпак, «НВС»
В прошлом году фирма впервые объявила международный интернет-конкурс АСМ-изображений, полученных в атомно-силовом микроскопе. Победила в международном конкурсе команда Института физики полупроводников СО РАН в составе Е. Родякиной, С. Косолобова, Д. Щеглова и А. Латышева. Диплом первой степени и другие награды победителям вручили в конференц-зале Института органической
химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН на междисциплинарном семинаре «Измерительное и аналитическое оборудование для нанотехнологии: современный взгляд и тенденции развития». Команда-победительница продемонстрировала уникальное АСМ-изображение спиральной ступени, выходящей на поверхность кремния с ориентацией (111). Такая структура образовалась вследствие травления кристалла вблизи выхода винтовой дислокации на поверхность при термическом отжиге в кислородной атмосфере. Наличие винтового сдвига приводит к закручиванию поверхности вблизи ядра дислокации «по винту», так что образуется «винтовая лестница». В этом скане-победителе «зашита», как говорят исследователи, большая физика течения поверхности при высоких температурах, что в свою очередь отразилось в недавнем конкурсе ведущих научных школ Российской академии наук.
 |
Скан-победитель международного конкурса, проводимого NT-MDT, в 2007 году.
|
В числе других государственную поддержку научных исследований получила школа академика А. Л. Асеева, директора ИФП СО РАН, и доктора физико-математических наук А. В. Латышева, заместителя директора ИФП СО РАН и директора Центра коллективного пользования «Наноструктуры» — «Атомные процессы и технологии изготовления твердотельных полупроводниковых наноструктур».
«Винтовая лестница» вглубь кристалла
В лаборатории в один голос говорили, что фотографию скана-победителя получила аспирантка второго года обучения Екатерина Родякина. Она работает в группах Дмитрия Щеглова и Сергея Косолобова и занимается изучением атомных процессов на поверхности кремния в условиях эпитаксиального роста при высокотемпературном нагреве.
 |
| Эксперименты в центре коллективного пользования «Наноструктуры» на уникальном сверхвысоковакуумном отражательном электронном микроскопе, разработанном в ИФП СО РАН на базе коммерческого электронного микроскопа. Слева-направо: Д. А. Насимов, А. В. Латышев, Е. Е. Родякина, С. С. Косолобов. |
В рабочей комнате исследователей стоит заслуженный атомно-силовой микроскоп фирмы NT-МDT, исправно действующий почти десять лет. Подобные приборы — их еще называют «сканирующими зондовыми микроскопами» — открыли новые возможности для визуализации трехмерных изображений элементов микро- и нанорельефа поверхности твердых тел. Метод атомно-силовой микроскопии основан на слабом взаимодействии твердотельной иглы с поверхностью исследуемого объекта.
— Сам объект — это дефект в глубине кристалла, — Екатерина обстоятельно объясняла, каким образом получено красивое визуальное изображение научного результата. — Когда пластину вырезают из слиточного кремния с отклонением в полградуса от точной ориентации, максимальное расстояние между ступеньками на поверхности составляет приблизительно 200 нанометров, что не всегда достаточно для проведения экспериментов с нанообъектами. Однако это расстояние можно управляемо менять, как в свое время было показано в работах Александра Васильевича Латышева.
Речь идет об эффекте эшелонирования моноатомных ступеней на поверхности кристалла кремния в зависимости от направления и величины электрического тока, который нагревает кристалл, что позволяет манипулировать нанорельефом поверхности и создавать заданные расстояния между ступенями, начиная от малых величин, вплоть до ста микрон.
Неожиданное открытие было сделано еще в конце XX века. Его авторы — Александр Васильевич Латышев, Александр Леонидович Асеев, Сергей Иванович Стенин (ныне покойный) и Андрей Красильников, ушедший в бизнес в трудные для науки годы. Эта фундаментальная работа широко цитируется — более тысячи ссылок в мировой научной литературе. Фактически, авторы открытия заложили основы нанотехнологий на поверхности твердого тела с помощью молекулярно лучевой эпитаксии — базовой технологии наноэлектроники. А для самих первооткрывателей новые убедительные результаты в лаборатории нанодиагностики и нанолитографии, можно сказать, были запрограммированы благодаря оригинальным и изощренным методикам эксперимента.
— Это не просто успех, сам по себе живописный, — весело сказал Дмитрий Щеглов, — не просто «картинка с Марса», и никто не знает, кто ее прислал. За этой картинкой большая физика. Работа оценена в комплексе не только фирмой, которая провела глобальный конкурс, но и научным сообществом. Картинка, снятая на суперуровне с точки зрения разрешающей способности, демонстрировалась как один из лучших результатов в области твердотельных нанотехнологий.
…Я держала в руках фирменный календарь на 2008 год с двенадцатью изображениями, полученными с помощью атомно-силовых микроскопов. Самое лучшее разрешение по высоте — «винтовая лестница», представленная новосибирцами, украшает обложку календаря и страницу января. Специалист по дефектам в кристаллах Людмила Ивановна Федина, расшифровывая картинку, так и выразилась: «Это винтовая лестница, уходящая вглубь кристалла».
— Она образуется в результате выхода винтовой дислокации, но в любом случае — это винтовой сдвиг в направлении перпендикуляра к поверхности. Такой сдвиг и формирует высоту ступеньки, архитектуру атомного масштаба.
Высота ступеньки — 3,1 ангстрема или 0,3 нанометра. Это реальный атомистический масштаб. У этой «лестницы» глубина маленькая, а ширина, можно сказать, бесконечно большая: туда, вглубь, мы можем просчитать до пяти пролетов-заворотов. Действительное изображение всего 15 ангстремов по глубине, а размер области сканирования — то, что вы видите на картине — это уже 16 микрон. Между ангстремом и микроном отличие в десять тысяч раз. Это очень широкая и очень мелкая винтовая лестница. Работа Кати как раз доказательство очень красивых результатов в нанодиагностике. Она посмотрела поверхность тонкого образца кремния, который слегка изогнули, как, допустим, изгибается балка в доме при землетрясении. Тут кремниевую прямоугольную «балку» нагревали в условиях жесткого закрепления концов, и она выгибалась при температуре 1200 градусов Цельсия. Это пример классической высокотемпературной деформации кристалла, которая сопровождается скольжением дислокаций. При этом образец сбрасывает нагрузку (иначе — деформацию) и внутри кристалла создаются области некогерентности, линейные дефекты, вблизи которых материал очень сильно деформирован.
Так вот, вдоль линии дислокации атомы расположены специфическим образом. «Старый» микроскоп фирмы наших партнеров обладает уникальными параметрами измерения и, в то же время, простотой интерпретации «на воздухе», т.е. при комнатной температуре. Подводя иголочку, манипулируя, измеряя слабые взаимодействия между иголочкой и поверхностью образца, регистрируют уникальные изображения. Это в общих чертах. Но здесь нужно очень четко отдавать себе отчет в том, что подобное нельзя увидеть на любой поверхности. Такую атомно-гладкую поверхность еще нужно приготовить. Нужно знать, как поверхность этого монокристалла очищается в условиях сверхвысокого вакуума, как она течет и каким образом происходит структурирование поверхности на атомном уровне. У нас работают с исключительно чистой поверхностью монокристаллического кремния, который в условиях нагружения течет, появляются дислокации, выходящие на поверхность, и возникает «винтовая лестница». Я думаю, что таких «винтовых лестниц» на образце несколько.
— То есть в нанодиагностике появилось нечто новое?
— Конечно. Такого никто не видел. Никто и никогда. «Лестница» обусловлена, прежде всего, процессами на поверхности при высокой температуре вблизи дислокаций и еще наличием больших атомно-гладких участков с точной ориентацией поверхности.
— И, конечно, совершенством оборудования, методов препарирования, подбора условий, как это смотреть. А в основе — знание атомистических процессов поверхности и еще раз повторим — техники фирмы NT-МDТ, — обобщил заведующий лабораторией А. В. Латышев.
— Результат эксперимента интересен, а дальше что?
— Для того, чтобы развивать нанотехнологии, мы должны знать, как структурируется материал в условиях самоорганизации. Вообще-то говоря, это один из путей развития нанотехнологий, основанный на самоорганизации.
— Вы не одиноки в своих исканиях по развитию природного пути.
— Это естественно. Ступени нашей «лестницы» — один из таких, довольно простых, примеров самоорганизации в присутствии дислокаций. Есть много других примеров, закономерности возникновения которых не столь хорошо понятны и представляют фундаментальный интерес. Например, на этом рисунке, кроме «винтовых лестниц», видны кластеры травления — вакансионные пустоты. Они возникают за счет испарения комплексов кислород-кремний с гладких участков поверхности при отжиге в кислороде — на месте одного испарившегося атома кремния возникает вакансия или пустота. Эти вакансии на поверхности подвижны и образуют кластеры в виде плоских пустот. Таким образом, на поверхности возникают потенциальные места, на которые можно высаживать разные молекулы. Это направление активно развивается, особенно в сочетании: твердотельная поверхность — полимерные структуры — биокластеры, биокомплексы. Мы сейчас пытаемся с биологами работать.
— Любопытно, и это сразу заметно, что изображение «лестницы» на обложке календаря отличается от оригинала. Компьютерщики фирмы усилили живописность изображения, придав ему некую космичность.
— Это и есть космос! Мы его называем «микрокосмос».
— Нет, это уже «нанокосмос», — Людмила Ивановна не шутила, — кратер атомного масштаба. Макрокосмос и микрокосмос, оказывается, очень похожи.
— До странности похожи! Почему?
— Наверное, законы одни и те же. И к тому же — большой комплимент человеку. Он все-таки путем умозрительных построений правильно понимает мир и окружающую вселенную. Это так удивительно! Особенно с появлением нанофизики, нанотехнологий и, разумеется, новой техники. Мы уже 30 лет занимаемся своим космосом, но раньше работы не были столь востребованы. Сейчас пришло топ-время электронной микроскопии, которая фактически давно изучает микромир. Раньше только узкие специалисты занимались физикой дефектов, исследовали дислокации — как ими управлять, чтобы улучшить технологию, улучшить свойства приборов. Такая простая задача. А теперь задача как бы инвертировалась — как использовать наше понимание для того, чтобы управлять процессами в наномире и использовать его закономерности надлежащим образом. Задача неимоверно сложная.
— Надо понимать, что нанофизика началась с развития электроники как таковой, создания плотных интегральных схем. Постоянно наблюдается движение к уменьшению размеров и предвидение того, что произойдет через 20-30 лет, когда размер станет совсем маленьким. Хотите знать, чем наноэлектроника отличается от просто электроники? — Александр Васильевич обосновал и выделил четыре составляющих особенностей.
Мне придется схематично пересказать, по пунктам. Во-первых, возможность тунелирования электронов через барьер. Второй момент — формирование объектов, названных «квантовыми ямами». Третье отличие — появление спина — дополнительной характеристики электрона (спиновое взаимодействие на три порядка меньше, чем обычное). Это означает, что энергия электрона не может быть каким-то произвольным спектром. И, наконец, четвертое отличие — «кубит», запутанность состояний.
Когда есть взаимодействие, можно говорить о криптографии, о том, чего нельзя наблюдать в классических системах.
Конечно, любопытно узнать, как распутывают такие состояния, связанные, например, с попыткой создать квантовый компьютер. Но у «винтовой лестницы» тоже своя «тайнопись». И дело, оказывается, в ее «ступеньке».
Тест-объект как эталон единицы длины
Разумеется, я удивилась, что в Центре «Наноструктуры» пользуются собственным эталоном длины.
— Мы должны измерить то, что получаем, и должны доказать, что это именно нанометры. А как мерить?
Задавая риторический вопрос, Александр Латышев тут же ответил:
— Надо развивать единство измерений.
Воспользуюсь неким фрагментом из отчета самого А. Латышева. Под его руководством для метрологического обеспечения единства измерений в нанотехнологиях разработан и создан высокоточный тест-объект для измерения линейных размеров в диапазоне 0,1-100 нм. Предельно высокая точность изготовления тест-обектов обеспечена за счет привязки значений их параметров к термодинамически равновесным (при заданных температурах и давлении) параметрам кристаллической решетки совершенного кристалла, таким, как высота моноатомных ступеней на атомно-гладкой поверхности, сертифицированных как наномерный элемент («квант») реальефа поверхности или первичные эталоны. В основе «кванта» рельефа атомно-чистой поверхности кремния лежит высота моноатомной ступени, соответствующая межплоскостному расстоянию
0,15 нм для плоскостей типа {001} и от 0,31 нм для {111}. Предлагаемый тест-объект базируется на новом концептуальном подходе к обеспечению единства измерений в нанометровом диапазоне, в основе которого лежат хорошо установленные физические закономерности морфологических перестроек атомно-чистых гладких поверхностей совершенных кристаллов. В течение последних нескольких лет, разработанный в ЦКП тест-объект на основе моноатомных ступеней, используется известной российской фирмой NT-MDT для калибровки производимых ею атомно-силовых микроскопов.
Возглавляет научно-производственную фирму Виктор Александрович Быков. Зеленоградцы выпускают не просто высокотехнологическую дорогостоящую продукцию и продают ее на мировом рынке. Не как некий инструментарий, но и как систему, целые классы для обучения работе на этих сложных приборах-комплексах. В том числе предлагают обучающие методики для университетов. В ИФП СО РАН действует версия подобного оборудования, но класс неполный — четыре микроскопа, в том числе «заслуженный», выпуска 1999 года. Установлено оборудование в Центре коллективного пользования, объединяющего лабораторию нанодиагностики и нанолитографии Института физики полупроводников и лаборатории структурного анализа институтов Катализа и Неорганической химии СО РАН. Напомню, что физическая лаборатория и Центр находятся в термостатированном корпусе ИФП.
…Когда на фоне «старого» АСМ-микроскопа Екатерина Родякина и Дмитрий Щеглов объясняли мне, что происходит на поверхности кремния в сверхвысоком вакууме при высокой температуре, и почему под действием тока одни ступеньки начинают сближаться, а другие разбегаться — было 0,2 микрона, а стало 100, то все-таки непонятно, как перейти к калибровке? «Всё просто, — объяснил Дима, — после сближения-разбегания и появляется тест-объект, который содержит очень большие гладкие террасы, которые ограничиваются по высоте моноатомными ступенями. Именно на таких образцах по высоте моноатомных ступенек очень удобно калибровать АСМ микроскопы».
— Куда мы ни «приземлимся» иглой- кантилевером — сказал Дмитрий, — мы можем найти ступеньку, которая с одной и другой стороны имеет широкую террасу. Мы сначала откалибровали свой прибор, а потом ухватились за эту идею. И теперь специально для наших партнеров выпускаем тест-объекты для калибровки атомно-силовых микроскопов и других приборов. В нашем Центре разработана некоторая документация, чтобы специалисты фирмы смогли настраивать свои приборы оптимальным образом. Сначала у инженеров ничего не получалось. Но потом эксперимент удался. И с тех пор фирмачи заказывают у нас эти тест-объекты. Производить их сложно. Это в прямом смысле нанотехнология — нанотест изготовлен с точностью до долей ангстрема. Можно откалибровать прибор субнанометрового диапазона длины. Кроме того, мы взаимно усовершенствуем методики для того, чтобы получить более качественные результаты. Например, это касается и литографии с помощью атомно-силового микроскопа и исследований новых свойств, таких, как микротрение, точнее, нанотрение. Существует такая область — нанотрибология, наука, исследующая трение.
— Ваши тест-объекты используются только зеленоградской фирмой?
— Еще пять лет назад нано-тесты были мало востребованы. Сейчас ими интересуются многие, биологи в том числе. Это очень хорошая подложка для размещения биологических молекул в различных комплексах той же ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты, рибонуклеиновой, их участков или «осколков», как говорят исследователи. И для медицины важно проверить, как влияют комплексы доставки лекарств в определенные «точки» организма. Буквально на днях мне принесли из Института химической биологии и фундаментальной медицины подложки слюды с размещенными на них молекулами для сравнения с кремниевыми подложками. Биологи не верят, но мы им докажем, что наша подложка лучше.
Важна задача применения тест-объектов и в создании современных приборов. Тест-объекты хорошо вписываются в кремниевую линейку. Ведь более 90 % современной электроники — процессоров и других элементов — делаются на основе кремниевой технологии, т.е. тест-объект — это некий кремниевый чип. У кремния есть очень хорошее свойство — окисел с высокой изоляционной способностью. Кремний окисляется и сам становится диэлектриком. Это его свойство почти на 100 % используется во всех интегральных схемах. А для экспериментов мы можем иметь одновременно тест-объект и подложку. Практически любые исследования начинаются с того, что мы сравниваем неизвестный объект, который поступает в Центр, с нашим, эталонным объектом.
Подобные нашему центры, в основном, занимаются диагностикой, аналитикой, литографией, а у нас к этому есть большой плюс — метрологическое обеспечение.
Этим мы интересны фирме NT-MDT — одной из представителей хай-тека по нанотехнологиям. Такие фирмы в России можно сосчитать по пальцам.
— Вы, Дмитрий, подчеркнули — «хай-тек», говоря о нанотехнологиях.
— Речь шла именно о твердотельных технологиях, когда создаются объекты, каждым из которых можно управлять, и каждый функционирует, производя либо перерабатывая сигнал входящий на выходящий; либо производя посредством своей работы новый материал. Это истинная нанотехнология.
— Значит, с электроникой больше связаны?
— Даже вернее, с методами диагностики, т.е. методики, которая достигла предела в литографии, и более точных методов нет. Потому что она может оперировать отдельным атомом. Взять атом с одного места и переложить в другое. Проблема только в том, что для создания функционального объекта требуются сотни тысяч, а то и миллионы атомов. Конечно, такие операции требуют долгого времени. Но вот создать один объект и на нем исследовать уникальные свойства с помощью уникального оборудования… Объекты, которые, может быть, через десятки лет появятся в промышленности. И делается такая работа для того, чтобы не идти в науке тупиковым путем. Например, получится ли сделать транзистор из нескольких атомов или нет? Промышленным способом — нет. А вот фирма, с которой мы сотрудничаем, способна производить уникальные объекты.
С фирмой более тесно работает Центр «Наноструктуры». А если посчитать — в специальном журнале записано — сотрудники Центра исследуют до 800 образцов различной сложности в год. Привозят свои образцы научно-исследовательские институты Сибирского отделения, приезжают специалисты Сибири и Дальнего Востока, обращаются за помощью Москва и Санкт-Петербург.
Директор Центра А. Латышев добавил, что к ним обращаются многие, включая такие ведущие фирмы, как «Интел» и «Самсунг». А в качестве показателя уровня метрологического и диагностического обеспечения нанообъектов — успех физиков в международном конкурсе.
Из отчета директора:
В настоящее время большое внимание уделяется совершенствованию метрологического обеспечения нанотехнологий, в частности, метрологии линейных измерений в нанометровом диапазоне и разработке мер малой длины для обеспечения единства измерений размеров нанообъектов. Современные нанотехнологии — нанолитография, наномеханика, нанобиология, нанохимия — требуют прецизионной калибровки используемого оборудования, как при диагностике, так и при создании или стандартизации нанообъектов с субатомной точностью, в связи с уменьшением размеров таких структур до долей нанометра — размеров, сравнимых с размерами единичного атома. Такое уменьшение размеров влечет за собой многократное усложнение процесса измерения, калибровки и стандартизации с максимальной точностью.
стр. 4-5
|
