Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
20.02
Экстракт из старых сородичей ускоряет старение

16.02
Открыт бензольный дикатион — пирамида с шестикоординационным углеродом

15.02
Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

14.02
Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых

13.02
Эволюционные последствия генных дупликаций удалось оценить количественно






Главная / Библиотека / Лекции для школьников версия для печати

Нанотехнологии и нанофизика — открытия и перспективы

Ю. И. Лозовик
Научно-популярная лекция для школьников, ФИАН, 15 ноября 2007 года

Об авторе

Юрий Ефремович Лозовик

Лозовик Юрий Ефремович — заведующий лабораторией спектроскопии наноструктур Института спектроскопии РАН, профессор Московского физико-технического института (МФТИ). Автор более 500 опубликованных статей (включая 10 обзоров и коллективных монографий), посвященных наноструктурам, нанотехнологии, низкоразмерным электронным системам, нанооптике, физике кластеров, различным аспектам физики твердого тела, атомной физике, квантовой электродинамике в полости.

-->
Скачать Adobe Flash Player (необходима версия не ниже 9)

Юрий Ефремович Лозовик

Об авторе

Юрий Ефремович Лозовик — заведующий лабораторией спектроскопии наноструктур Института спектроскопии РАН, профессор Московского физико-технического института (МФТИ). Автор более 500 опубликованных статей (включая 10 обзоров и коллективных монографий), посвященных наноструктурам, нанотехнологии, низкоразмерным электронным системам, нанооптике, физике кластеров, различным аспектам физики твердого тела, атомной физике, квантовой электродинамике в полости.

Дорогие коллеги, будущие коллеги, друзья! Наше время — это время, когда бурно развиваются нанотехнологии и готовится, возможно, новая техническая революция. Это происходит не мгновенно, это было подготовлено давно, я хотел рассказать о некоторых первых шагах нанотехнологии и о том, как нанотехнология связана с фундаментальными науками, как они друг друга взаимно дополняют и обогащают. Вообще, лидирующие технологии нашего XXI века — это нанотехнологии, информационные технологии, биотехнологии. И в этой связи я хотел привести забавное высказывание Гордона Мура, одного из создателей фирмы «Интел»: «Если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня роллс-ройс мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и дешевле было бы его выбросить, чем заплатить за парковку». Примерно так и происходит с компьютерами: мы не меняем, а покупаем просто новый компьютер — это дешевле.

Лекция Ю. И. Лозовика

И вот, 40 лет назад Гордон Мур сформулировал следующий эмпирический закон: каждые 1,5 года количество транзисторов в компьютерных микросхемах на 1 кв. дюйм удваивается. И это приводит... вот, действительно, видно, что где-то в начале было примерно около 2 тысяч транзисторов в схеме, сейчас — около 2 миллиардов, одновременно себестоимость на 1 бит информации, на 1 элемент информации себестоимость уменьшается вдвое, энергия на единицу информации тоже уменьшается вдвое, время переключения уменьшается вдвое, то есть быстродействие компьютера возрастает вдвое каждые 1,5 года.

Лекция Ю. И. Лозовика

Вот когда всё начиналось, компьютеры выглядели вот таким образом. Компьютеры были на лампах и весили много тонн, и один из оптимистов говорил так, глубокомысленно: «Нет никаких ограничений — то есть предсказанных в будущем — нет никаких ограничений, чтобы компьютеры весили меньше 2 тонн». К тому времени это было смелое предсказание. Так вот, происходит сильный рост в этой области, и вместо этих мегатонных конструкций сейчас, видите, мой компьютер около 700 грамм весит, и это не предел. Вот так выглядит современная плата, в которой содержится около двух миллиардов транзисторов.

Лекция Ю. И. Лозовика

Обычно, когда говорят о новой технологии, цитируют знаменитую речь Фейнмана: «Там, внизу, есть еще много места». Фейнман — а это была речь в 59-м году, знаменитая речь 29 декабря 1959 года; Фейнман — это гениальный физик, лауреат Нобелевской премии. Он, фантазируя, — к тому времени это были серьезные фантазии — сказал, что нет никаких физических ограничений для того, чтоб записать все 24 тома Британской энциклопедии на острие иголочки. И, в принципе, если бы возможно было записать 1 бит информации (бит — это, значит, один элемент: либо ноль, либо единица, и поэтому любую информацию можно представить себе совокупностью битов) — если бы можно было один бит записать на системе атомов с кубиком — кубик, который бы содержал 125 атомов, 5 × 5 × 5, — то, в принципе, на один кубический дюйм можно было бы записать все книги человечества. По тому времени это было очень смелое такое предсказание будущего, и, в общем, этот призыв до сих пор остается весьма эмоциональным, и этот предел мы еще не достигли.

Лекция Ю. И. Лозовика

Но фактически история началась еще раньше, 60 лет назад. В 1947 году в лаборатории «Белл» был изобретен первый транзистор — Шокли, Бардином и Браттейном, за что они получили Нобелевскую премию. Это была первая Нобелевская премия Бардина, через 10 лет он сделает выдающееся открытие теории сверхпроводимости. Сейчас тоже юбилей, 57-й год — значит, 50 лет этой работе, за что он получил вторую Нобелевскую премию. Тогда этот транзистор был микронного размера, и вот что интересно: вначале было слово. Сначала была выполнена Бардином теоретическая работа, которая была посвящена фундаментальным свойствам системы на границе металл—полупроводник. Из этой работы как раз вытекала возможность... Вот это рисунок из Нобелевской лекции Бардина. Здесь полупроводник с изогнутыми вблизи раздела уровнями, а здесь — металл. Он как раз глубоко прогнозировал свойства этого контакта, и из его теории следовала возможность управления свойствами полупроводника, управления свойствами проводимости в тонком слое вблизи границы с металлом, что приводит к возможности создания транзистора. Я о силе транзистора распространяться не буду, моя лекция такая, популярная, обзорная.

Лекция Ю. И. Лозовика

Сейчас это гонка началась с микронных размеров, и, в силу закона Мура, сейчас эти элементы имеют размер порядка 45 нанометров (нанометр — это 10–7 см). Это больше чем в 1000 раз тоньше человеческого волоса, и планируется переход на всё меньший и меньший размер. Вопрос в том, куда ведет этот путь, имеет ли он конец. Что будет в ближайшее время? Ну, в ближайшее время планируется переход на 35 нанометров. Возможен в будущем переход еще на 12,5 нанометров, но что дальше? Дело в том, что не будет ли толщина такой, что будет вся эта система пробиваться напряжением, будет перегреваться? Там возникает масса различных технических и фундаментальных вопросов.

Что я хотел подчеркнуть — это связь технологии с фундаментальной наукой. Как только был открыт транзистор и начала развиваться эта наука, и был создан полевой транзистор, изображенный здесь — это металлический управляющий электрод, выполняющий прежнюю роль сетки в электронной лампе. Это оксидный слой, который изолирует металл от полупроводника, а здесь — кремний, в котором проводимость осуществляется положительными зарядами — «дырками». А вблизи границы имеется электронная проводимость — очень тоненький слой порядка 100 ангстрем, вот здесь находится вблизи границы. Здесь подключается один контакт, исток, а здесь — другой контакт, сток. И управляя напряжением вот этого управляющего электрода (по-английски «gate»), можно управлять концентрацией проводимости здесь ну, и, соответственно, усиливать сигналы, то есть на этом основана работа полевого транзистора.

Лекция Ю. И. Лозовика

Но этот полевой транзистор послужил основным элементом для того, чтобы было сделано выдающееся открытие в такой очень тонкой электронной системе. Это открытие было сделано в 80-м году Клаусом фон Клитцингом, называются вот эти явления «целочисленный квантовый эффект Холла». Эффект Холла был открыт давно. Поднимите руки, кто знает, что такое эффект Холла? Ну, довольно много. Значит, эффект Холла — это вот что такое. Я опишу первый эксперимент Холла — кстати, когда он (Клитцинг) открыл эффект Холла, он был студентом Вюрцбургского университета, это было в 1879 году. Значит, была (неразборчиво) тоненькая пленочка золота, перпендикулярно прикладывалось магнитное поле, вдоль пленочки шел ток, и вот когда шел электрический ток, то поперек пленки, поперек направления тока возникало напряжение. Вот это напряжение называется Холловским напряжением. Около сотни лет это использовалось... Оказывается, это Холловское напряжение зависит от концентрации электронов в соответствующем полупроводнике, ну и зависит от знака заряда, то есть осуществляется ли проводимость электронами или дырками. Оказывается, в магнитном поле они отклоняются в разные стороны. По этим течениям можно выяснить, кто является носителем в полупроводнике, и какая концентрация.

После того, как был создан вот этот замечательный прибор — полевой транзистор — с очень тонким вот этим слоем, его называют «квазидвумерным», потому что толщина его существенно меньше длины, существенно меньше любых характерных длин, которые характеризуют вот эту систему. Так вот, для этой системы оказалось, что Холловское напряжение, то есть вот здесь образец, перпендикулярно подается магнитное поле, вот так идет электрический ток, а поперек имеется Холловское напряжение. Так вот, это Холловское напряжение, поперечное напряжение, пропорционально продольному току, и коэффициент пропорциональности, который называется Холловским сопротивлением, в отличие от обычного продольного сопротивления, обладает удивительным свойством: оказывается, он, как функция концентрации, зависит очень немонотонно — зависимость состоит из таких резких плато, и в районе плато зависимость определяется только фундаментальными постоянными — так называемой постоянной Планка, которая характеризует квантовые системы, и зарядом электронов. И оказывается, расстояние между этими плато зависит только от этих фундаментальных констант и равняется примерно 25 000 Ом, 25 кОм. Так что не нужен эталон сопротивления в Париже, достаточно взять вот такой маленький образец и померить расстояние между Холловскими плато, и это будет эталон сопротивления — в частности.

Клитцинг за вот это открытие получил Нобелевскую премию. Таким образом, видите, технологически сначала — посмотрите — сначала теоретическое предсказание, фундаментальная наука, привела к открытию транзистора, а, в свою очередь, открытие транзистора привело к фундаментальному интереснейшему открытию. И вот так они и дружат — фундаментальная наука с нанотехнологией. Одно без другого невозможно, это как экология науки, так же, как экология вокруг нас.

Лекция Ю. И. Лозовика

После того, как была придумана система, как сделать двумерные слои на границе двух полупроводников: один с широкой запрещенной зоной, а другой — с узкой запрещенной зоной, это арсенид галлия. Вот эту систему начал исследовать Алферов, за соответствующее открытие он тоже получил Нобелевскую премию. В этой системе возникает тоже двумерный электронный слой на границе. Но свойства его таковы, что подвижность электронов здесь существенно выше, и качество этого образца существенно выше, так что именно на этом образце был открыт впоследствии другой эффект, так называемый «дробный квантовый эффект Холла», в котором оказалось, что элементарные заряды, которые дают вклад в Холловский эффект, имеют дробный заряд. Авторы открытия тоже получили Нобелевскую премию. Так что это открытие поколебало некие предыдущие утверждения — вернее, обогатило их.

Лекция Ю. И. Лозовика

Это был первый шаг, первый шаг в создании транзисторов, и с тех пор началась гонка: всё меньше и меньше транзисторы, лучше технология, иногда принципиально другие технологии. Но для того, чтобы создавать новые наноустройства (а 45 нанометров — это очень маленький объект), нужны глаза, нужны способы исследования этих объектов. И вот один из таких замечательных приборов был изобретен где-то в начале 80-х годов — этот прибор называется «сканирующий туннельный микроскоп», он был изобретен Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в фирме «IBM», но это отделение фирмы, которое было в Швейцарии, за что они тоже получили Нобелевскую премию. И с тех пор возник целый класс приборов. Сканирующий тоннельный микроскоп... я в подробности входить не могу, потому что нужно для этого знать квантовую механику, но интересно, что он может рассмотреть очень маленькие объекты с очень большим пространственным разрешением. А знаете, какое разрешение? Сканирующий тоннельный микроскоп состоит из иголочки, из конца которой электроны проходят в исследуемый материал, и вот соответствующий ток очень сильно зависит от профиля вот этого материала, то есть сильно зависит от расстояния от кончика иголочки до материала. И в результате пространственное разрешение составляет 0,1 нанометра — одну десятую нанометра!— в направлении, перпендикулярном исследуемому образцу. А вдоль образца разрешение составляет порядка 5 ангстрем, то есть 0,5 нанометра. Ну, и сейчас целый класс соответствующих приборов есть — сканирующие атомные микроскопы, сканирующие микроскопы оптические и так далее.

Лекция Ю. И. Лозовика

Теперь я хотел рассказать о двух методах создания наноструктур. Каким образом можно создавать наноструктуры? Два способа существует: один называется «сверху-вниз», а другой — «снизу-вверх». «Сверху-вниз» — это вот какой. У вас есть массивный образец, и вы его обрабатываете так, что получается очень маленький объект. Откалываете, или еще каким-нибудь образом обрабатываете. Пример я приведу дальше. Сейчас один из рекордных примеров — это изготовление таким способом образца толщиной вообще в 1 атом. Это удивительное открытие.

Лекция Ю. И. Лозовика

Второй способ — это вот как: собирать из отдельных атомов. То есть это снизу вверх. С самых элементарных кусочков собирать объекты. Существуют такие методы напыления атомными пучками — так называемая «молекулярно-лучевая эпитаксия». Ну, и существует еще большое количество разнообразных методов, которые всё время совершенствуются. И вот сейчас в области наномира используются оба способа — и сверху-вниз, и снизу вверх, и я хочу это продемонстрировать. В частности, я хочу это продемонстрировать на примере графена — структура, которая была получена только недавно. Графен — от греческого слова «писать». Вы все знаете, как пишет карандаш. Почему пишет карандаш? В карандаше есть графитовый стержень, а графит устроен следующим образом: графит структурно состоит из отдельных слоев, сами слои — толщиной в один атом, расстояние между этими слоями — порядка нескольких ангстрем, и связь между слоями слабая. А внутри слоя — очень сильная, это химические связи. Сам слой, один слой, его прочность — он прочнее стали раз в 5, кстати, а теплопроводность одного слоя примерно в 20 раз выше меди. Но когда вы пишете, поскольку слои друг с другом слабо связаны, вы счищаете отдельные чешуйки», вот почему пишет карандаш. Но никто не задумывался, никому не приходило в голову, можно ли счистить не большую чешуйку, макроскопическую, а один-единственный слой графита. И вот это было сделано. Вот этот способ приготовления сверху-вниз.

Лекция Ю. И. Лозовика

Как это было сделано? Брался графит и... всё ноу-хау не опубликовано, но, во всяком случае, специальной пластинкой счищали аккуратно плоскость, счищали аккуратно чешуйки, и среди этих чешуек попадались чешуйки двухслойные или однослойные. Сейчас идет большой бум в этой области, исследуются эти чешуйки, причем оказалось следующим образом: вот эта чешуечка — она размером бывает порядка несколько микрон (микрон — это 10-4 см), а толщина, как я говорил, — один атом, один атомный слой, то есть порядка 0,1 нанометра. Тем не менее к этой чешуйке смогли приварить золотые проволочки, и можно было померить проводимость этой чешуйки, все электронные свойства соответствующей чешуйки. Но интересно, с точки зрения приложения, следующее. Мы говорили об электронном слое, который управляется металлическим электродом в полевом транзисторе, так вот, роль соответствующей пленочки, по которой идет ток, может выполнять вот эта графеновая плоскость, то есть можно создать транзистор на графеновой плоскости. Такие патенты есть, и уже пытаются люди сделать соответствующие транзисторы. Но тогда это абсолютно малая толщина, это толщина в 1 атом, меньше уже быть не может. Правда, размер вот в этом направлении можно еще менять, так что это, возможно, было бы выдающееся нанотехнологическое достижение.

Лекция Ю. И. Лозовика

Эта система обладает удивительными электронными свойствами, и тем из вас, кто знает, что такое зоны в твердом теле — поднимите руки, кто знает, что такое зоны в твердом теле... ну, некое количество знает. Тогда я мог бы сказать следующее: как известно, в твердом теле за счет периодичности электроны образуют зоны, и вот вся электроника основана на том, что эти зоны разные. В металле электроны заполняют верхнюю зону проводимости, и по этой причине возможно небольшое изменение энергии, и потому течет — скажем, в электрическом поле — потому течет электрический ток. А, например, в диэлектриках имеется щель и электроны находятся под щелью, по этой причине и заполняют всё, вплоть до края этой щели. Потому ток в диэлектриках не течет. Вся электроника основана на этом. Так вот, графен устроен удивительным образом: он имеет спектр вот такой, как показано на этом рисунке, то есть это спектр линейный. Тем из вас, кто знает, что такое эффективная масса, я скажу, что эффективная масса здесь в точности равна нулю. Щель в спектре в точности равна нулю, и свойства этой системы удивительны, так что они очень интересуют фундаментальную науку, здесь много очень интересных явлений возникает за счет вот этой необычной зонной структуры.

Лекция Ю. И. Лозовика

Помимо этого, существуют другие наноструктуры из углерода. И вот одна из этих наноструктур представляет из себя следующее: это просто свернутый лист графена. Причем возникает он не откалыванием графена и сворачиванием листа, а он возникает сам по себе в разряде. То есть второй способ... Первый способ — это приготовление сверху-вниз; то есть мы из массивного образца сделали наноструктуру. А здесь — снизу-вверх, то есть из газа, из разряда, в котором были атомы углерода, возникла спонтанно, путем самоорганизации, вот такая структура. То есть можно себе представить, как лист графена свернутый. Его типичный диаметр, вот таких трубок, порядка 1 нанометр, но возможны трубки многослойные, вот такие: одна трубочка вложена в другую. При этом трубки, вот отдельная стенка трубки, поскольку она состоит из графенового листа, прочность его такая же, как прочность графена, то есть прочность в 5 раз выше стали.

Лекция Ю. И. Лозовика
По этой причине вот нанотрубки можно было бы использовать, и сейчас это используется, в каких-нибудь защитных материалах, например для создания бронежилета. То есть используется сверхтвердость соответствующего материала. То есть нанотрубки, погруженные в какой-нибудь полимер. Но второе свойство — если имеется многостенная нанотрубка, то поскольку вот эти стенки взаимодействуют друг с другом слабо, то может одна трубка ходить внутри другой трубки, и таким образом возможно было бы сделать какой-то нанодвигатель, наноробот на основе вот такой многостенной трубки.

Лекция Ю. И. Лозовика

Вообще, свойства нанотрубок уникальны: у них есть высокая проводимость, сравнимая с металлической; упругие свойства, как я сказал, в 5 раз выше, чем у стали; теплопроводность в 20 раз выше, чем у меди, ну и возможно свободно двигать многостенные трубки одну трубку относительно другой.

Лекция Ю. И. Лозовика

И на этом основаны многочисленные применения. Ну, во-первых, использующие уникальные упругие свойства, а во-вторых, применение в наноэлектронике, например, поскольку нанотрубка имеет очень маленький диаметр, можно использовать это как эмиттер в экране, и это сейчас уже осуществлено фирмой «Самсунг». Возможно создание транзистора на основе углеродной нанотрубки, когда проводящим элементом является сама нанотрубка, то есть проводимость тока осуществляется вдоль нее и регулируется управляющим электродом, находящимся вблизи этой трубки. Сейчас создан наномотор на основе углеродной нанотрубки вот такого типа. Имеется нанотрубка, здесь пластиночка, которая заряжается, а здесь имеются управляющие электроды, по-разному заряженные, и если менять эти заряды, то соответствующая пластиночка начинает вращаться. Таким образом, можно сделать наномотор.

Интересно, что можно померить массу отдельных частиц с помощью нанотрубки. Знаете как? На нанотрубку посадить атом один, или молекулу, и тогда исследовать частоту колебания нанотрубки. Как вы думаете, если вы посадите молекулу, как изменится частота? Изменится? А как изменится? Ну вот, по изменению частоты вы можете определить, какую массу вы посадили, то есть можете тем самым измерить массу одной отдельной молекулы. Это уже осуществлено.

Лекция Ю. И. Лозовика

Нам в свое время предложили создать нанотермометр на основе двухслойной нанотрубки — таким образом: на нанотрубку насадить челнок, если есть температура, то этот челнок будет колебаться, и амплитуда колебания будет зависеть от температуры — чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. Но когда двигается этот челнок, то изменяется сопротивление в самой этой нанотрубке. Если померить электрический ток, то можно тем самым определить и температуру. Причем температуру в очень маленькой области, порядка нанометра.

Можно сделать нанореле, и можно это нанореле использовать как ячейку памяти. На основе двухслойной нанотрубки. Вот, скажем, есть вот одна нанотрубка, вот вторая, под действием напряжения можно выдвинуть эту трубку и прикоснуться, так что здесь замкнется контакт. Либо, при другом напряжении, нанотрубка возвратится на старое место. Таким образом, это будет «да—нет», то есть это будет как ячейка памяти или как переключатель.

Лекция Ю. И. Лозовика

Теперь я хотел поговорить о способах создания наноструктур. Это большая проблема. Как вы помните, есть закон Мура. Значит, сейчас — 45 нанометров. Вот как сделать транзистор размером 45 нанометров или меньше? Для этого нужен какой-то шаблон, правильно? Потому что все транзисторы во всех устройствах, если вы делаете их массово, должны быть одни и те же. Но как сделать этот шаблон с очень маленьким размером, маленьким расстоянием. То есть нужна соответствующая технология. Обычно это делается с помощью оптической технологии, оптической литографии. А именно: засвечивается образец — там есть светочувствительный слой, — и там, где есть засветка, после этого наносится разрушающее слой химическое вещество. Там, где есть засветка, оно там разрушает, а там, где нет засветки — не разрушает. Вот это способ оптической литографии. Но тогда вы должны уметь освещать очень маленькие пятнышки. Вот как сделать маленькие пятнышки? Можно ли сделать пятнышки меньше, чем 45 нанометров? Вот скажите, пожалуйста, если у вас свет длиной волны 80 нанометров, можно ли сделать пятнышко 45 нанометров? Как вы думаете, можно? Почему? Правильно, нельзя локализовать свет меньше длины волны. Это так называемый «критерий Рэлея». А за счет чего? (Ответ из зала, неразборчиво.) Нет, не в этом дело. Значит, оказывается, существует такое явление — дифракция. Оно основано на том, что если имеется отверстие некоторое, то свет, проходя через отверстие... ну, или вот возьмем линзу. Через линзу свет проходит, он создает изображение точки, изображается не в точку, а в некий кружок размером порядка длины волны. Это связано с явлением дифракции, дифракции на отверстие. Значит, это либо у вас будет в курсе физики, в разделе оптики, либо вы будете изучать это позже, в институте, более подробно.

Так вот, из-за этого явления, явления дифракции, невозможно создать технологию, используя длину волны, скажем, видимого света, невозможно сделать устройство с размером меньше, скажем, 40 нанометров. Потому что это противоречит вот этому критерию. Что же делать? (Из зала: «Зачем брать видимый свет?») Вот, правильно. Значит, нужно тогда работать с ультрафиолетом. А если мы хотим сделать размер 10 нанометров? Значит, нужно делать рентгеновские источники, или вакуумные... или, как говорят, близкие к рентгеновской области. Совершенно верно, именно так и делают. Но это колоссальная проблема, потому что нужен источник, который бы был достаточно мощный для того, чтобы производить соответствующее действие, он должен работать в течение десятков тысяч часов и иметь размер... — он должен умещаться на столе. Иначе промышленности будет это невыгодно. Сейчас такие источники в области вакуумного ультрафиолета еще не созданы. И это — колоссальная проблема, в которую фирмы вкладывают миллиарды долларов. И вот один, например... По этой причине, нужно двигаться несколькими путями. Создавать соответствующие источники со всё меньшей и меньшей длиной волны для того, чтобы оптическая литография работала и в области меньших длин волн, либо придумать что-то еще.

Лекция Ю. И. Лозовика

Вот одна из возможностей состоит в том... Ну, вот в нашем институте, например, эта группа занимается созданием источников далекого вакуумного ультрафиолета, у них большие успехи в этом деле. Но есть другой способ. Я, к сожалению, о нем подробно не могу распространяться. Этот другой способ состоит в том, чтобы использовать источники не в далеком поле, не дальние, а непосредственно вблизи самого источника излучения. Вот когда я говорю, распространяются звуковые волны. Ну, допустим, значит, я говорю примерно... какой спектр частот... ну, у мужчин это примерно от 50 герц — ну, уж побольше, килогерц — и где-нибудь до 10, наверное, килогерц, у женщин — выше существенно. Давайте посмотрим, с какой характерной длиной я разговариваю, какая длина волны. Вот длина волны, можно показать, что некую информацию я могу до вас донести с помощью длины волны, которая будет больше, чем расстояние между нами. Это называется «ближнее поле». То есть источник находится на расстоянии меньшем, чем длина волны. То есть, оказывается, можно передавать информацию не с помощью распространения волн, а в ближнем поле.

Лекция Ю. И. Лозовика

И то же самое можно сделать и в оптике. То есть имеется источник, и ближнее поле — оно может производить какое-то действие или снимать какую-то информацию. Вот на этом основаны устройства, которые называются ближними полевыми микроскопами оптическими, и вот, оказывается, для них критерия, вот о котором мы с вами говорили — критерия Рэлея — не существует, потому что критерий Рэлея связан с интерференцией волн на больших расстояниях, а для интерференции нужно, чтобы соответствующие длины были больше длины волны. А здесь — значительно меньше длины волны. Этого ограничения нет, и по этой причине пространственное разрешение может быть существенно больше критерия Рэлея.

На этом основаны многие устройства, и вот мы сначала просчитали распределение полей, например, вблизи иголочки, которая освещается лазером, и, оказывается, вблизи иголочки возникает яркое пятнышко, подобно тому, как в громоотводе... Вот почему работает громоотвод? Поднимите руки, кто знает, почему работает громоотвод. Два человека. Почему работает? (Ответ из зала, неразборчиво) Абсолютно правильно! Напряженность поля резко возрастает, больше поля пробоя. Вот именно. По этой причине и работает громоотвод. И вот здесь так же. Представьте себе острие, размер очень маленький, и когда оно освещается светом, напряженность поля вблизи острия существенно больше, чем вдали. И тогда в этой области вы можете создавать мощное воздействие на объект, которого касается иголочка. То есть можете с помощью вот этого сильного поля выжигать какие-то буквы, переносить информацию. То есть можете записывать информацию вот этим усиленным полем. Ну вот расчеты это показывают, и вот мы проделали соответствующие эксперименты, вот видите — начали писать какие-то буквы с помощью вот этого яркого пятнышка под иголочкой. Вот, например, провели черточку, а черточка, если вы видите — здесь полоска толщиной 20 нанометров, ну, или 200 ангстрем, а длина волны была 800 нанометров, то есть в 40 раз лучше Рэлеевского предела. Вот как работает ближнее поле, вот это один из способов возможной технологии.

Лекция Ю. И. Лозовика

Существуют другие... вот сейчас рассматриваются возможности. Например, наноимпринтинг. Делать шарики с помощью какой-то самоорганизации, они возникают в процессе роста, а потом вдавливать из в какой-то мягкий материал. Вот этот способ технологии. Ну и возникают еще разные способы.

Лекция Ю. И. Лозовика

Еще об одной важной области нанотехнологии — создании нового типа материалов. Инженерия материалов. Мы привыкли к тому, что материалы какие-то... материал — это нечто сплошное. Ну, вот сталь, кусок стали, кусок железа, из нее делаются детали. Но можно делать специальные конструкции материалов с нужными свойствами, и можно сначала их рассчитать — это и делается сейчас, и в микроэлектронике, и в тех областях, о которых я рассказывал, а потом конструировать соответствующие материалы. И вот пример такого материала. Вот представьте себе, что я сформировал решетку, периодическую, из одного какого-то материала, вот примерно вот такую. За счет периодичности, мы с вами говорили, что за счет периодичности у электронов есть зонный спектр, и на этом основана вся микроэлектроника. А здесь периодичность имеется не для электронов, а для фотонов. И значит, у фотонов точно так же должен быть зонный спектр. И значит, должна быть запрещенная зона для фотонов. Где бы это можно было использовать? А очень просто: как вы думаете, вот если есть электрическая лампочка... ну, здесь хорошие лампочки, здесь не очень энергоёмкие, это люминесцентные лампы. А вот лампы накаливания — какой КПД ламп накаливания, как вы думаете, сколько? Три процента. Почему три процента? Потому что температура порядка... около 2000 градусов, а при этом вся энергия в основном — в инфракрасной области. На электричество в мире идет порядка нескольких десятков миллиардов — вот на это освещение — несколько десятков миллиардов долларов. И несколько десятков миллиардов долларов мы греем комнату, вместо того чтобы ее освещать. А вот представьте себе, что мы бы сделали источник вот такого типа. Это называется «фотонный кристалл», по аналогии с кристаллом для электронов. И сделали бы щель как раз в инфракрасной области, щель в спектре. Тогда бы он не излучал в этой области, и тогда КПД резко бы возросло. И мы бы выиграли десятки миллиардов долларов. Вот каким образом фундаментальная наука связана с экономикой и с технологией.

Лекция Ю. И. Лозовика

Существует ряд других возможностей для метаматериалов, например создавать искусственные материалы невидимые. Ну, это стелс-технология. Вы знаете, можно сделать такие покрытия, чтобы радиолокаторы почти не видели соответствующий самолет, что очень важно для военной техники. Ну, я, пожалуй, пропущу другие способы. Вот, в частности, в нашем институте используют камеру-обскуру для получения наноструктур, то есть вместо линз используются маленькие отверстия для создания изображений, но изображения не для фотонов, а для атомов, и таким образом строят различные... вот, например, символ нашего института, лямбда, — это длина волны. Меньше 50 нанометров, вот эту буквочку нанесли с помощью освещения атомами.

Лекция Ю. И. Лозовика

Ну, и в заключение я хотел сказать о нескольких проблемах нанотехнологии. Ну, во-первых, это проблема изготовления различных чипов, различных масок для литографии. И в этой связи возникает ряд фундаментальных вопросов, связанных с ограничением Рэлея, то есть либо нужно создавать источники с очень короткой длиной волны, либо пойти каким-то другим путем. Во-вторых, возникает вопрос: вообще, будет ли переключение на новые методы, будем ли работать всё время с одним и тем же материалом, а сейчас материал для транзисторов — это кремний, потому что он самый дешевый, всё остальное слишком дорого для промышленности. Если мы дойдем до предела какого-то, то, возможно, нам помогут в электронике нанотрубки, — если при массовом производстве, они могут быть вполне уже дешевыми. Электроника, основанная на молекулах. Возникает очень важная проблема сверхплотной записи информации. То есть сейчас, в принципе, можно было бы записывать информацию не только на отдельных, скажем... можно было бы записать, например, информацию на отдельных кластерах магнитных, на одном кластере небольшом, один бит информации. Может быть, резко повысить плотность информации, записывая не побитово, а используя некие квантовые свойства — так называемый кубит.

Лекция Ю. И. Лозовика

Возникает ряд важных проблем технологии, связанный с использованием метаматериалов. То есть искусственных материалов, которые... — то есть инженерия материалов уже началась — которые сначала рассчитываются на компьютере, а потом они создаются. Вот, в частности, пример — фотонные кристаллы, покрытия сверхплотные и так далее. Есть серьезный прогресс в технологии изготовления наноэлектромеханических систем. То есть возможность создавать нанороботы, которые могли быть полезными, например, в медицине. Ну, у нас тоже есть несколько изобретений в этой области. Либо нанороботы, которые были бы полезны в военном деле, и так далее. Возникли сейчас новые области исследования и технологии передачи информации — наноплазмоника и другие.

Кроме того, я хотел сказать, что нанотехнология очень тесно связана с фундаментальной наукой. Вся она основана на фундаментальной науке, но, в свою очередь, нанотехнология помогает создавать такие приборы и такие устройства, на которых и будут сделаны выдающиеся фундаментальные открытия. Они друг без друга не могут быть. И вот в последнее время было много таких замечательных открытий, связанных, в частности: дробный квантовый эффект Холла, вот открытие графена с его удивительными свойствами — я, к сожалению, не могу входить в подробности.

По этой причине я хотел бы, в этом смысле, сказать, что... дерзайте! И закончить словами Рильке (Борис Пастернак считал его своим учителем в поэзии):

«Всё, что ваш ум из памяти возьмет,
Когда-то в жизни обратится в благо».
Лекция Ю. И. Лозовика

Спасибо за внимание.



Вопрос: Бойцов Василий, 52-я школа. Что такое пиролитический графит и связан ли он как-то с наноматериалами?

Нет, он не связан с наноматериалами, это сплошной образец... кстати, вот эти буквочки, которые мы писали с помощью лазерного излучения, которое облучает иголочку — это было сделано на пиролитическом графите. Это массивный образец очень высокого качества, из углерода. Это структура соответствующая углерода.

Вопрос: Власенко Дмитрий, школа «Интеллектуал». У меня несколько вопросов. Во-первых, извините, я не совсем понял: вы говорили про частицы с дробным зарядом; что это такое и почему они получаются?

Значит, дело состоит в следующем. Есть замечательная работа Ландау, который предложил объяснять свойства систем сильно взаимодействующих электронов — ну, например, в металлах или электронный газ с большой концентрацией в вырожденных полупроводниках. Объяснять сильно взаимодействующие через некие переменные, связанные... через некие эффективные частицы — так называемые «квазичастицы» — которые взаимодействуют очень слабо. Ну, я вам пример приведу. Вот представьте себе, что имеются осцилляторы, и они связаны друг с другом. Значит, они колеблются, связаны пружиночками. Можно рассчитать эту задачу — я думаю, хороший восьмиклассник может решить эту задачу, ну, по крайней мере, для двух уж точно может решить. В конце года, да? Ну, тогда замечательно. Тогда вот напомните им об этом. Так вот, значит, имеется, допустим, несколько осцилляторов, они взаимодействуют друг с другом, и по этой причине — задача достаточно сложная, но оказывается — ну, вот, допустим, два осциллятора — оказывается, можно сделать такую замену переменной, скажем, (х1 + х2), или (х1 — х2), и в этих переменных соответствующие осцилляторы эффективные — они уже не будут взаимодействовать. Это называется — вот в данном случае, вот это преобразование — называется «переход в нормальные координаты». Существует... то есть этот пример, когда задача о взаимодействующих частицах сведена к задаче с невзаимодействующими частицами, или слабо взаимодействующими частицами . Вот то же самое можно проделать и... то же самое предложил Ландау для системы электронов. Это так называемые «квазичастицы», которые слабо взаимодействуют друг с другом. То есть, на самом деле, это как бы коллективная переменная. И вот оказывается, через эти коллективные переменные... движение в соответствующем квантовом эффекте Холла происходит следующим образом. Не один электрон двигается, а целый коллектив двигается. И двигается так, что эффективно переносится не один заряд, а дробная часть заряда. Вот что имеется в виду. То есть это свойство коллективного движения сильно взаимодействующей системы электронов.

Вопрос: Понятно, спасибо. Еще у вот меня вопрос: вы сказали, что к полоске из графена можно было бы припаять золотые контакты, золотые проволочки, и измерить электрические параметры. А что там получается — для них выполняется закон Ома и так далее, или нет?

Оказывается, для микрона, для микронных размеров, закона Ома нет. На малых расстояниях для того, чтобы выполнялся... А вот это интересный вопрос: вот вы еще к преподавателю подойдете, и он вам еще более подробно расскажет. Вопрос такой: а с чем связано сопротивление? Вот закон Ома, вы говорите. А откуда взялось сопротивление? Ведь внутри каждого твердого тела есть электроны. (Из зала: Нет, ну как вы сейчас говорите... электрон когда двигается, то он периодически неупруго сталкивается с отдельными атомами или элементами решетки...)

Нет, вопрос такой: если бы эти атомы покоились и была бы идеальная периодичность, то никакого бы сопротивления не было. Но тут есть некий вопрос, на самом деле. Можно показать, как это ни парадоксально, что если бы была периодическая система идеальная, то электрон... вообще бы проводимости не было, но это отдельный вопрос. Если вы подойдете, я вам потом более подробно объясню. Но сопротивление связано с рассеянием, с передачей энергии — с рассеянием на примесях, с передачей энергии колеблющимся атомом, и так далее, и так далее. Так вот, в случае графена, если размер — порядка микронов, то длина свободного пробега больше, чем размер системы. И по этой причине пролет — баллистический. Вот в нанотрубках тоже пролет баллистический. Понятно? То есть без сопротивления.

Вопрос: Школа «Интеллектуал». Вы говорили о том, что основными элементами, которые используются в нанотехнологии, являются углерод и кремний. А вот какие элементы планируется использовать еще, если они будут использоваться, и какие основные требования вот к необходимым элементам?

Значит, вообще основной элемент, который используется в современной электронике, — это кремний. Используется еще арсенид галлия, меньше существенно, потому что он дороже. Вот. Теперь, что касается углеродных нанотрубок — углеродных элементов, наноэлементов, — то это использование пока что эпизодическое. То есть вот, например, фирма «Самсунг», и так далее, и так далее. То есть это еще не приобрело массовых масштабов. В принципе, необходимыми элементами являются... Ну, пока что, в ближайшее время, не видно ограничений по кремнию, в течение, я думаю, лет 10 по крайней мере. А вот что дальше будет — может быть, будет переключение на другой элемент, если окажется, скажем, что нанотрубки при малом размере дешевле. То есть всё определяется экономикой.

Вопрос: Николай, МИФИ. У меня такой вопрос. Вот вы говорили про формирование нанотрубок, нельзя ли поподробнее насчет их формирования и формирования более сложных структур?

Значит, вообще существует несколько так называемых «аллотропных форм углерода». Это вот какие структуры. Значит, это графит, графен — мы знаем, как он изготовлен. Есть фуллерен, это типа футбольного мяча. И вот нанотрубки. Вот фуллерен и нанотрубки изготавливаются в разряде электрическом, причем параметры разряда специальным образом подбираются. При некоторых параметрах разряда, причем происходит самоформирование, то есть вот что удивительно — возникает структура соответствующей симметрии самоорганизацией, это не сборка какая-то искусственная. То есть при данных условиях формируется именно вот этот объект, причем концентрация достаточно велика. Что касается нанотрубки, то детали здесь таковы. Обычно это делается так. На подложке наносится катализатор; катализатор, допустим, никель или другие элементы. После этого — разряд; в разряде обычно формируется пучок, пучок летит на подложку с соответствующим катализатором, и вблизи катализатора сама собой вырастает вот эта трубочка. После этого нужно специальным образом этот катализатор химически отделить, нужно трубки разделить по весу, и так далее.

Вопрос: А это было теоретически как-то выведено или эмпирически — то, что возникают такие структуры?

Это эксперимент. То есть сначала было получено это экспериментально, и потом, до сих пор, на самом деле, механизм формирования еще твердо не установлен. Существует несколько сценариев формирования вот таких нанотрубок.

(Из зала: Это в зависимости от того, какой сам разряд еще, там же и температура...) Вот именно, зависит и от температуры разряда, и не только — вот этот поток тоже очень важен.

Вопрос: Извините, а сверхпроводимости никак не получается? ...баллистические пролеты их.

Нет, это не сверхпроводимость. В принципе, здесь возникают интересные возможности другого типа. Может быть, можно наводить сверхпроводимость, понимаете? Есть так называемый «эффект близости», то есть вблизи сверхпроводника возникают в другом материале тоже сверхпроводящие области. Такое возможно.


Комментировать


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия