ВЛЮБЛЕННЫЕ В ФИЗИКУ
Накануне Международного женского дня мы встретились с двумя женщинами, выбравшими нелёгкую профессию учёного-физика, сотрудницами Института физики полупроводников СО РАН. Этим женщинам временами приходится слышать упрёки, что они не умеют работать на токарном станке, или сентенции, что двух женщин-докторов наук на один физический институт слишком много. Но они настолько влюблены в свою профессию, что эта любовь их окрыляет и творит чудеса научных открытий. Наши собеседницы — Наталия Николаевна Рубцова, заведующая лабораторией лазерной спектроскопии и лазерных технологий и Ирина Вениаминовна Антонова, ведущий сотрудник лаборатории физики и технологии трёхмерных наноструктур и материалов с использованием графена.
Е. Садыкова, «НВС»
 |
| Доктора физико-математических наук И.В. Антонова и Н.Н. Рубцова.
|
Наталия Николаевна Рубцова — специалист в области нелинейной лазерной спектроскопии и фотонного эха:
— Название лаборатории лазерной спектроскопии и лазерных технологий придумал первый руководитель нашей лаборатории д.ф.-м.н. Л. С. Василенко совместно с коллегой, который до сих пор у нас работает, к.ф.-м.н. В. Н. Ищенко. Термин «лазерные технологии» подразумевает как разработку и изготовление собственно лазеров, так и их использование для обработки различных материалов. Исторически в нашей лаборатории делались лазеры под нужды института. Так, у нас был изготовлен и доведен до хорошего инженерного уровня CO2-лазер — это заслуга инженера Н. М. Дюбы. Имелся ряд источников когерентного излучения видимого диапазона, а также импульсных лазеров, работающих в области ультрафиолета.
В технологических целях лазерное излучение также применялось в нашей лаборатории. Проводилась рекристаллизация плёнок кремния (к.ф.-м.н. С. А. Кочубей), регистрации вредных веществ в атмосфере (к.ф.-м.н. С. А. Кочубей, к.ф.-м.н. А. А. Ковалёв). Сегодня мы занимаемся модификацией свойств полупроводниковых наноструктур путём генерации в них точечных дефектов под действием импульсного лазерного излучения. Это позволяет изменить кинетику отражения полупроводниковых наноструктур.
Лазеры на двуокиси углерода работают в области длин волн 9–11 микрон (средний инфракрасный диапазон); эти лазеры интересны для различных приложений, поскольку они мощные, высокоэффективные. Для многих CO2-лазеров эффективность достигает 10 % от потребляемой электрической мощности (на профессиональном жаргоне — эффективность «от розетки»). Чем они интересны ещё? Оказывается, в атмосфере имеются микро-окна прозрачности, и если вы хотите, допустим, отправить лазерный луч на Луну, лучшего, чем CO2-лазер, не найти. Этот тип лазеров применяется для дистанционного зондирования атмосферы, он подходит для обнаружения низких концентраций вредных веществ — при условии, что спектр поглощения этих веществ попадает в область генерации лазера. Этим у нас много занимался к.ф.-м.н. А. А. Ковалёв. Надеюсь, он скоро станет доктором наук, поскольку работает очень интенсивно. Так, с помощью СO2-лазера мы регистрировали примеси в атмосфере вблизи ТЭЦ.
Кроме этого, в нашей лаборатории делались и делаются сегодня (к.ф.-м.н. В. Н. Ищенко) эксимерные лазеры, работающие в ультрафиолетовом диапазоне. Эти импульсные лазеры обладают большой мощностью, с их помощью можно модифицировать полупроводниковые тонкие пленки, изменяя их свойства.
Долгое время мы в основном жили на тех лазерах, которые изготовляли сами. То есть ситуация была такая: начальник ставит конкретную исследовательскую задачу, под неё делается лазер, потом собирается вся установка, и задача решается. Сейчас мы живем немного по-другому, появилась возможность лазеры покупать. Один из них мы приобрели в фирме «Техноскан», а до этого у нас появилось новое направление — мы совместно с минской группой из Белорусского национального технического университета (БНТУ) разрабатываем полупроводниковые элементы — зеркала, которые обладают способностью заставить лазер работать в режиме синхронизации мод. Обычно это не очень мощные лазеры, но импульсы в них короткие, на уровне сотен фемтосекунд. Такие лазеры необходимы в исследованиях оптических свойств полупроводниковых структур. Зеркало, разработанное в нашей лаборатории А. А. Ковалёвым и выращенное у нас в ИФП ребятами из соседней лаборатории, сегодня работает в лазере фирмы «Техноскан», обеспечивая генерацию коротких (около 300–400 фемтосекунд) импульсов излучения в ближней инфракрасной области. Такой способ получения коротких импульсов излучения известен во всём мире, но особенно успешно он применяется в лазерах со средним уровнем усиления. Это направление работы нашей лаборатории можно обозначить как прикладное.
Ещё одна важная и традиционная тематика нашей лаборатории — фотонное эхо. Для человека, далёкого от науки, эхо — акустическое явление: человек что-то крикнул, гора отразила, и он ещё раз услышал отраженный звук. А фотонное эхо (по-русски более правильно было бы говорить световое эхо, но «победила» в терминологии английская традиция) формируется сложнее, здесь нужно, по крайней мере, два воздействия. Кстати, сегодня понятно, что практически любая среда — газ, твёрдое тело или жидкость, биологическая ткань — способна формировать световой отклик в виде эха. Однако для формирования фотонного эха нужно подействовать на среду световым импульсом как минимум два раза — первый импульс что-то навязывает веществу (это что-то называется когерентностью), второй импульс света способен как бы обратить время вспять, так что через интервал времени, равный задержке между первым и вторым импульсами, вещество высвечивает короткий импульс излучения — фотонное эхо.
И вот этот отклик, который появляется через интервал задержки между импульсами, содержит информацию о релаксационных процессах в среде. Это важно для того, чтобы понять, как взаимодействуют частицы вещества. Для газов фотонное эхо — хороший метод исследования столкновений атомов или молекул. С другой стороны, фотонное эхо и во всём мире, и у нас в стране (этими работами занимаются в Казани, КФТИ) применяют для записи, хранения, обработки и восстановления оптической информации. Правда, масштабы времени для записи и считывания могут быть очень краткие, в зависимости от того, какая у нас среда.
Некоторые группы работают при криогенных температурах с твердотельными образцами типа ионных кристаллов LaF3:Pr3+; такие ионы в специально подобранной кристаллической матрице хранят запись сутками. Но это при температуре жидкого гелия, что довольно трудоёмко и ненадёжно. Мы работаем при обычных температурах или чуть повышенных, и наши вещества — это молекулярные газы, точнее, их колебательно-вращательные переходы, способные взаимодействовать с излучением работы СO2-лазера, а также оптические переходы в атомах (здесь используется излучение лазера на красителе). Время запоминания для молекул — десятки микросекунд при низком давлении газа.
Сегодня у нас есть возможность работать с атомарными парами иттербия. Там происходят удивительные вещи со свойствами самого фотонного эха. Сигнал фотонного эха существует на протяжении краткого времени (в наших экспериментах около 5 наносекунд), и всё же эти сигналы позволяют понять, что происходит при столкновении атомов друг с другом. Эти результаты хорошо воспринимаются зарубежными коллегами, публикуются в журналах высокого рейтинга. В этом заслуга наших замечательных экспериментаторов: кандидатов физико-математических наук С. А. Кочубея, Е. Б. Хворостова, В. Н. Ищенко, В. Г. Гольдорта.
В планах — продолжение разработки специфических лазерных зеркал с насыщающимися поглотителями. Наши белорусские коллеги в этом очень заинтересованы. Они быстро анализируют наши образцы и подбирают режим работы лазера так, чтобы все работало в оптимальном режиме. Надеюсь, наше сотрудничество будет укрепляться. Что касается когерентных явлений в парах атомов — в этой области у нас есть приоритетные работы, и мы будем их продолжать. Сейчас возникает много новых модных направлений, но сможем ли мы ими заниматься — зависит ещё и от оборудования. Чтобы его получить, мы пишем заявки на гранты, но вероятность чрезвычайно мала. Но кто не просит — тот ничего не обретёт.
Трудно ли быть женщиной в науке? Трудно вообще быть, и не только женщиной. Я не стала бы доктором наук, если бы со мной не работали М. Н. Скворцов, который сейчас трудится в Институте лазерной физики, Н. М. Дюба, много других людей, очень порядочных и квалифицированных... У нас прекрасный коллектив, если бы не это — было бы невозможно ничего достигнуть.
У меня папа — научный сотрудник, а в школе была прекрасная учительница физики, мы делали всякие эксперименты (что было далеко не во всех школах!), возможно, это предопределило мою судьбу. Правда, папа хотел, чтобы я стала математиком, но я решила по-своему.
Наука — это серьёзная вещь, она требует много сил, и в науке важны чисто человеческие качества: если ты экспериментатор, ты не имеешь права нигде ошибиться, принять какой-то результат, не проверив его. Честность, скрупулёзность — прежде всего. Помню, лет 10 назад была история с немецкими учёными, одного из них лишили возможности заниматься наукой за то, что он подтасовал данные. Честность — это первое, дальше идёт талант, но и плюс 95 процентов трудолюбия. И, конечно, много работы. Но хороший коллектив — это всё! Уважительно отношусь к гениальным одиночкам, но для меня наука — коллективное занятие, и очень разнообразное.
На другие интересы времени практически не остается, но хожу в группу женской гимнастики в ДУ, чтобы держать себя в форме. У нас там есть дамы за 80, которые активно занимаются наукой, ездят в командировки. Это ли не чудо!
Ирина Вениаминовна Антонова — ведущий сотрудник лаборатории физики и технологии трёхмерных наноструктур и материалов с использованием графена (завлаб — д.ф.-м.н. В. Я. Принц):
— Мы изобретаем новые технологии и новые двумерные материалы. Основное направление — создание функциональных материалов на основе графена.
Чем интересен графен, кроме того, что за него была получена Нобелевская премия? Это первый монослойный материал, носители заряда в котором имеют еще и нулевую массу. Для физиков возможность экспериментально исследовать такой материал позволила обнаружить ряд новых физических явлений. Его получение было удачей для экспериментаторов. Сейчас научное сообщество перешло к попыткам использовать графен для различных приложений, и тут на первое место вышли другие интересные свойства материала — высокая проводимость, подвижность носителей, высокая теплоёмкость, прозрачность и др. В качестве основного направления в настоящее время рассматривается (это уже ближе к практическому применению) создание вертикальных гетероструктур.
Делается это просто (на словах): берём один монослой, на него накладываем монослой с другими свойствами, и так далее. Всю микросхему можно собрать вертикально столбиком в единую слоёную структуру.
И это направление признано наиболее перспективным с точки зрения приложений. Но, оказалось, для того, чтобы её собрать, нужен не только графен, но и другие материалы. Часть работ в нашей области направлена на создание других монослойных материалов. И решаем мы эту задачу путем модификации графена. На основе графена можно получить диэлекрические монослои, полупроводники с разной проводимостью, прозрачностью, с разной подвижностью носителей, то есть любые материалы, которых не хватает, чтобы создать искомую гетероструктуру.
Для такой модификации мы используем не только сам графен, но и плёнки из нескольких его слоёв — мультиграфен. И в этом направлении получен первый интересный результат: графен можно использовать в качестве сенсора. Поскольку графеновый слой очень тонкий, один атом на поверхности может изменить его проводимость. Если взять не один слой, а несколько (до десяти), то оказывается, что сигнал от сенсора увеличивается. И мы показали, что на самом деле оптимальные условия для получения максимального сигнала от сенсора — толщина в два нанометра, а не в один монослой. Это первое, чем мультиграфен интересен для приложений. В принципе, в мире аналогичный вывод сделан на других примерах, например, на элементах памяти.
Кроме того, расширяются наши возможности для изучения свойств графена. Например, мы сделали функциональный блок, где верхний слой — графен с хорошей проводимостью и высокой подвижностью носителей — лежит на изолирующих слоях из модифицированного мультиграфена, причём именно нижние слои обеспечивают эту высокую подвижность. В чём суть? Графен не может существовать сам по себе, ему нужна подложка. Самое удобное — диоксид кремния (SiO2). Однако диоксид кремния губит подвижность носителей. Причина простая — зарядов, содержащихся в SiO2, оказалось слишком много для такого тонкого слоя как графен, в результате происходит рассеивание носителей на заряде в подложке.
Самую лучшую подвижность дает нитрид бора (BN), он считается идеальной комплементарной парой графена. Правда, пока не умеют выращивать нитрид бора с требуемыми свойствами, получают лишь маленькие чешуйки, отщепляя их, как ранее графен, скотчем. Мы предложили технологичный вариант: берём мультиграфен, делаем химическую обработку органическими молекулами, которые проникают между слоями, образуя там монослои, потом производим небольшой отжиг — и графен, благодаря взаимодействию с органическими молекулами, становится изолятором. Потом очищаем верхний слой, восстанавливаем его проводимость, и оказывается, что у графена, лежащего на этой подложке, достаточно высокая подвижность, примерно такая же, как и на нитриде бора. Мы сделали на его основе рабочую транзисторную структуру. Это хороший шаг вперёд, к использованию графена.
Также мы предложили новый вариант фторирования графена. Фторографен (соединение графена с атомами фтора — это тоже стабильный изолятор, который получается после нескольких минут химической обработки специальным раствором, широко используемым в современной микроэлектронной промышленности. Обычно для фторирования используют вредные химические вещества, да ещё и при высокой температуре. Наш вариант фторирования более простой, доступный и технологичный.
На данную технологию мы получили российский патент, пытаемся активно использовать её для получения новых результатов и новых наноматериалов. При варьировании времени обработки получается ряд разных по свойствам, но интересных материалов из частично фторированного графена. В частности, можно создавать систему квантовых точек, встроенных в диэлектрическую матрицу. Причём на сегодняшний день это единственная в мире технология, которая позволяет создавать такой материал с квантовыми точками графена.
В настоящее время мы делаем только лабораторные образцы. Для внедрения в промышленность нужно в первую очередь на каком-либо заводе поставить на поток выращивание графена, а это требует немалых средств.
Но это не только наша проблема. Я была на двух международных конференциях по графену, где обсуждали данные вопросы. За рубежом есть множество фирм, фабрик, заводов, деньги на внедрение, и, тем не менее, если на первой конференции было настроение «ура, мы завтра всё внедрим», то на следующей уже обсуждалось, что внедрение не такой простой процесс. Новинки легко внедряют, если они на порядок превосходят существующее по параметрам и приемлемы по стоимости. А это — отдельная задача, и её решение требует времени.
Ближайшие планы, естественно, связаны с графеном, и прежде всего с поиском его возможных применений. Мы заключаем договор с «Микроном», и будем пытаться делать элементы памяти. Но опять же пока это будут лабораторные образцы.
И, конечно же, из полученных материалов мне нравится система квантовых точек в матрице фторграфена. Мы уже попробовали изучить ее свойства методом нестационарной спектроскопии глубоких уровней, получились очень интересные и неожиданные результаты. Есть куда двигаться и с чем работать.
Конечно, огромную роль в жизни играет коллектив. Когда он слаженный, есть талантливая молодёжь, работа в радость.
В принципе, у меня множество интересов, в детстве я хотела стать археологом, но не сложилось. Тем не менее, история меня привлекает, причём больше альтернативные варианты. Кроме того, я коллекционирую медные монеты до XVII века. Конечно, коллекция небогатая, поскольку больших денег я в неё не вкладываю, тем не менее, мне это интересно. Ещё я увлекаюсь батиком, делаю иногда для себя какие-то эксклюзивные вещи.
Фото В. Новикова
стр. 5-6
|
