html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Наноструктурирование квантовых материалов

Физик Сергей Косолобов о квантовых точках, методах самоорганизации на поверхностях и перспективах медицинской диагностики

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Фотоника и квантовые материалы», посвященный изучению световых потоков и квантовых технологий. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Фотоника и квантовые материалы» Сколтеха Сергей Косолобов рассказывает о технологиях наноструктурирования материалов.

Хотите учиться в Сколтехе? Оставьте заявку, и мы свяжемся с вами

«Бог создал объем, а поверхность — это изобретение дьявола» ― эти слова приписываются знаменитому швейцарскому ученому Вольфгангу Паули и наглядно демонстрируют всю сложность физических процессов, протекающих вблизи поверхностей, ограничивающих объемные твердые тела. Ярким примером увеличения роли поверхности по сравнению с объемом является возникновение квантово-размерных эффектов при уменьшении размеров объекта до наноразмеров. Твердотельные наноструктуры, обладающие квантово-размерными свойствами, являются идеальными системами для изучения этих свойств, поскольку хорошо развита технология изготовления этих структур и непосредственно анализа физических свойств с помощью различных физических методов.

Примером твердотельных наноструктур являются квантовые точки, квантовые проволоки, двумерный электронный газ и другие системы, где один или несколько характерных размеров электрона становятся сопоставимы с длиной волны де Бройля электрона. Характерный размер квантовой точки порядка 1–5 нанометров. Чтобы было понятнее: средний диаметр человеческого волоса порядка 100 микрон, значит, на срезе человеческого волоса можно поместить от 10 тысяч до 100 тысяч таких квантово-размерных объектов. Это очень маленькие структуры, и, чтобы оперировать такими структурами, необходимо уметь их визуализировать, уметь их создавать и манипулировать ими, то есть помещать в заданные места, непосредственно измерять физические свойства, которые мы хотим узнать.

Что интересно, проблему визуализации маленьких объектов решили задолго до того, как научились их создавать. Еще в 30-х годах прошлого века немецкий ученый Эрнст Руска изобрел просвечивающий электронный микроскоп. То есть это прибор сродни оптическому микроскопу, но вместо оптического излучения в качестве источника света используется источник электронов с гораздо меньшей длиной волны. В результате электронный микроскоп позволяет визуализировать объекты гораздо более маленьких размеров по сравнению с оптическим микроскопом. Уже в 50-х годах прошлого века с развитием технологии сверхвысокого вакуума научились создавать очень чистые материалы и, соответственно, атомно-чистые поверхности, на которых количество примеси, которая бы каким-то образом влияла на физические свойства поверхности, было минимизировано до такой степени, что этого влияния нельзя было зарегистрировать какими-либо физическими методами. Таким образом, для того чтобы создавать наноразмерные объекты, развитие методов молекулярно-лучевой эпитаксии позволило поатомно осаждать различные материалы на поверхность и формировать заданную структуру.

Классическим примером функциональной структуры, которую можно использовать для прикладных вещей, является полевой транзистор, который был изобретен в 1947 году Бардином и Браттейном, и биполярный транзистор, который был изобретен с участием третьего известного ученого — Шокли. Все трое получили за изобретение транзистора Нобелевскую премию. Хотя в то время размеры транзистора были большими, стремление человечества к миниатюризации этих элементов и эффективное использование для создания уже рабочих структур привели к изобретению интегральной микросхемы, на которой уже было расположено много маленьких транзисторов. Изобретателем интегральной микросхемы является Джек Килби, который тоже получил за это изобретение Нобелевскую премию.

Таким образом, становится понятно, что, с одной стороны, для того чтобы эффективно использовать новые квантово-размерные свойства, необходимо уменьшать размеры объектов до маленьких размеров, порядка 1 нанометра. А с другой стороны, для того чтобы эффективно использовать эти свойства в готовых устройствах, необходимо таких объектов создавать очень много и с большой плотностью. Современные интегральные микросхемы позволяют это делать, это является неотъемлемой частью любого электронного прибора, который сейчас производится. Для того чтобы создать много таких маленьких объектов, необходимо структурировать поверхности, в частности твердотельные поверхности, с помощью различных методов.

Для структурирования поверхностей используется два подхода. Первый подход использовал еще Микеланджело в давние времена. Он состоит в том, чтобы удалить все лишнее. Этот метод называется метод литографии, при котором на поверхности подложки формируется сначала маска из полимера, затем на маске формируется необходимый рисунок. После этого с помощью химических процедур ненужная часть удаляется с поверхности маски, и остается рисунок из нужной структуры. Дальнейшие физико-химические процессы связаны с осаждением различных материалов, травлением поверхности в жидкостной химии, плазмохимическими травлениями, что приводит к формированию уже готовой структуры. Преимуществом метода является то, что можно делать много маленьких объектов на больших площадях. Примерами таких методов является оптическая литография, где используется оптическая длина волны, она позволяет создавать объекты до полумикрона. Для того чтобы создавать наноразмерные объекты, надо использовать либо электронную литографию, либо ультрафиолетовую литографию с меньшей длиной волны. В данное время в современных полупроводниковых технологиях это широко используется как раз для создания уже рабочих структур.

Для того чтобы решить задачу манипулирования объектами на наноразмерных масштабах, в 80-х годах прошлого столетия был изобретен сканирующий зондовый микроскоп, который включает в себя комплекс различных модификаций, как сканирующий тоннельный микроскоп, сканирующий зондовый микроскоп. Этот метод позволяет, по сути, прикоснуться к отдельному атому, поместить его в заданное место, которое нам необходимо для исследования его физических свойств, и заключается в приближении к исследуемой поверхности тонкой, остро заточенной иглы зонда с диаметром наконечника порядка одного или нескольких атомов. И прецизионное помещение непосредственно вблизи этого атома позволяет не только почувствовать, где этот атом находится, и тем самым визуализировать его на поверхности, но также и сдвинуть этот атом в заданном направлении и поставить его в нужное место. Таким образом, можно поатомно собрать другой маленький объект, который будет состоять из нескольких атомов заданного сорта, и дальше уже исследовать его физические свойства. Это альтернативный подход к литографии, позволяющий снизу вверх идти к созданию необходимой структуры. Но, как и все сканирующие методы, он обладает весьма маленькой производительностью, поскольку каждый атом нужно сдвинуть в заданное место и из него сформировать заданную структуру.

Гораздо более эффективным является применение методов так называемой самоорганизации на поверхности. Это такой способ, когда поверхность кристалла помещается в такие термодинамические условия, в которых необходимые объекты формируются сами на поверхности природой. Метод самоорганизации также эффективно используется как в научных исследованиях, так и для прикладных целей, для создания в том числе квантовых точек на поверхности кристалла. Он заключается в том, что если мы детально знаем все физические процессы, которые протекают на поверхности кристалла, то мы получаем в руки ключ для управления этими процессами.

Можно продемонстрировать явление самоорганизации, например, следующим образом. Если вы представите себе улицу, на которой идет много людей, там в какой-то момент начинает идти дождь, все люди достают зонтики, раскрывают их и оказываются под зонтиками. То есть включение дождя приводит к тому, что люди начинают выполнять определенные вещи, в частности раскрывают зонтики. Мы видим, как все это сделали, и получилось новое состояние на улице в виде движущихся зонтиков. Таким образом, если мы знаем точно, каким образом действуют физические законы на поверхности в заданных условиях, то, помещая кристалл в подложке в заданные условия, мы можем заставить атомы сформировать необходимые нам заданные структуры.

Одним из примеров таких эффектов самоорганизации является формирование широких атомно-гладких поверхностей на поверхности кремния. Недавно было показано в работах, которые были проведены в России, что если мы приготовим атомно-чистую поверхность кремния и создадим на этой поверхности специальную морфологию в виде кольцевых атомных ступеней, то обжиг такой поверхности в сверхвысоком вакууме при высокой температуре приводит к тому, что размер центрального участка, который ограничен кольцевой ступенью, начинает увеличиваться, и можно сформировать широкую атомно-гладкую террасу размером несколько сотен микрон. До 300 микрон готовые прототипы уже есть. Единственная шероховатость такого объекта на поверхности — это присутствие атома сверху на поверхности либо его отсутствие в подложке.

Таким образом, с помощью эффекта самоорганизации создаются поверхности, обладающие минимальной шероховатостью и не имеющие аналогов в мире на данный момент. Они очень эффективно используются в качестве, например, отражающих зеркал, которые можно поместить в интерференционный микроскоп, тем самым увеличить оптическое разрешение интерференционного микроскопа в несколько десятков раз, для того чтобы получить разрешение, скажем, порядка 50 пикометров. Это рекорд для оптических приборов.

Я думаю, что с развитием современных технологий наноструктурирования материалов и создания новых функциональных объектов в будущем нас ждет появление новых устройств, позволяющих эффективно анализировать различные состояния человека. Например, это сенсоры и датчики здоровья, которые будут оперативно сообщать пользователю его состояние, пульс, частоту сердца, может быть, сигналы, которые заставили бы его обратиться к врачу. То есть носимые сенсоры для медицинской и биодиагностики — это одно из перспективных направлений, которое обязательно будет развиваться. И в области полупроводниковых технологий, я думаю, будет наблюдаться уклон в сторону оптической передачи информации непосредственно на чипе, на кристалле для повышения быстродействия процессоров, скорость которых сейчас лимитируется наличием металлических проводников, соединяющих транзисторы.

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с postnauka.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • PostNauka
          • физика
          • ученые
          • исследования
          • домен postnauka.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции