В Институте физики полупроводников учатся манипулировать атомами и молекулами

Слово «нанотехнологии» постепенно входит в нашу жизнь. Известия об их все новых применениях приходят отовсюду. Вот сообщение почти на грани анекдота — в Новосибирске на основании разработки ученых из Академгородка начали добавлять наночастички серебра в обычный хлеб. Оказывается, он не только питательный, но и бактерицидный — лечит желудочно-кишечные болезни. В некоторых странах утверждают, что начали изготавливать нанокремы и нанопудру, обладающие уникальными свойствами…

Подобные заявления обычно вызывают у ученых противоречивые чувства. Так, нобелевский лауреат Ж.Алферов, недавно приезжавший в Киев, уверен, что возможности и перспективы у нанотехнологий куда более серьезны. Будущее любого общества сегодня связано с тем, как оно относится к нанотехнологиям.

Первое путешествие в мир нанотехнологий я совершил в Институте физики полупроводников им. В.Лашкарева. Никто не будет возражать, что именно электронщики — первопроходцы и идеологи этого направления.

— Все началось со стремления физиков сделать элементы, используемые в электронике, как можно более миниатюрными, — рассказал первый заместитель директора института, член-корреспондент НАН Украины Александр БЕЛЯЕВ. — Элементы становились все меньше и меньше, а архитектура полупроводниковых структур все усложнялась. В конце концов ученые дошли до размеров, измеряемых нанометрами (нанометр — одна миллиардная часть метра).

Здесь начинается совершенно новый, квантовый мир, в котором правят иные физические законы. Они настолько необычны, что, например, нельзя точно сказать, в каком месте в них находится частица и сам «Бог играет в кости», чтобы определить ее местоположение. Этот совершенно необычный мир нельзя объяснить с помощью понятий, к которым мы привыкли в нашем обыденном мире.

— Александр Евгеньевич, известно, что Альберт Эйнштейн не принимал квантовые законы. Вас не удивляет квантовый мир?

— Эйнштейн был одним из открывателей квантовой физики. Однако он хотел заглянуть еще глубже. Квантовый мир удивляет, когда удается открыть что-то новое, ну а законы микромира мы изучаем в институте, и не верить им у нас нет оснований. Все, что мы сейчас наблюдаем в эксперименте, подчиняется этим законам. Следование им позволило современным ученым получить искусственный атом, то есть некую систему, состоящую из сотен или тысяч атомов, так называемые квантовые точки. И это уже совершенно иная среда со свойствами, присущими квантовому миру.

Реальная нанотехнология заключается в том, чтобы манипулировать атомами и молекулами и из них создавать необходимые функциональные устройства. Например, с помощью лазерных пинцетов мы можем взять атом в одном месте и передвинуть его в другое. Это уникальный прорыв, поскольку можно создавать системы, до сих пор представлявшиеся фантастическими, как-то диагностические микроинструменты, которые будут следить за работой сердца, внутренних органов и подавать изнутри организма сигналы врачу.

— В прессе сообщалось о том, что если реализация атомных проектов потребовала миллиардных затрат, то нанотехнологии обойдутся в тысячу раз дороже (триллионы долларов), и, мол, таких затрат никакое государство не выдержит. Как быть?

— Чтобы хватило средств, надо определиться: действительно ли каждый конкретный проект так необходим человечеству. Мне кажется, овчинка стоит выделки и цена не будет чрезмерной, потому что нанотехнологии можно будет применить во всех сферах человеческой деятельности. Началось все с электроники, но постепенно появилась наномедицина, нанобиотехнология, нанохемотехнология.

По американским оценкам, одна разработка в области нанотехнологий требует вливания от двух до пяти миллиардов долларов в год. Практически все развитые страны уже включились в эту гонку, потому что тот, кто первый выйдет на рынок с продукцией, построенной на нанотехнологиях, его и завоюет.

Американцы уже сейчас могут себе позволить выделять на эти программы 150—300 млрд. долл. Они ведут разработки по всем возможным направлениям. В то же время далеко не бедная Япония ограничилась лишь двумя: информационные технологии и окружающая среда. Они разрабатывают новые технологии для производства чипов, информационных систем, обладающих огромным быстродействием и памятью. Кроме того, работают над сенсорами для охраны окружающей среды, диагностики, новых методов лечения.

— А какие есть еще мощные игроки на этих направлениях?

— Я бы назвал Германию, Францию, Англию. Практически все европейские страны включились в эту гонку.

— Они разделили между собой задачи?

— Здесь обращает на себя внимание удивительная деталь: все программы по нанотехнологиям в Европе — национальные, несмотря на тезис о формировании общеевропейского научного пространства. Такое впечатление, что над нанотехнологиями европейские страны хотят работать самостоятельно.

— Почему?

— Слишком большой приз победителям на этом направлении, и каждая страна стремится сделать достижения по этим программам своим национальным достоянием, чтобы оставить приоритет и право на владение интеллектуальной собственностью за собой. Германия, к примеру, интенсивно занимается полупроводниковыми нанотехнологиями. Пока чаще всего работают с кремнием. Уже используются кремниевые нанотрубки, пористый кремний, квантовые точки на основе кремния и германия.

Однако для сверхвысокочастотной электроники на диапазоны в сотни ГГц и ТГц, для создания мощной, радиационно стойкой, термостойкой электроники на первый план выходят другие материалы. Сейчас большое внимание уделяется карбиду кремния, группе тринитридов — тройные, четверные соединения элементов группы три с азотом. Они обладают уникальными физическими параметрами, сейчас выполняется много проектов по этой тематике.

— А какое место в этой гонке занимает Россия?

— Наверное, Россию нужно поставить где-то в конце списка. Она стремится подражать США, поэтому ее программа достаточно «всеядная». Россияне организовали корпорацию «Роснанотех». Туда вливают большие деньги — 150 млрд. рублей. Определено десять приоритетных направлений, которые в первую очередь связаны с полупроводниковыми технологиями, биотехнологиями, частично информационными технологиями.

Показательная деталь — весной намечены внеочередные выборы в РАН: переизберут президиум, президента, выберут новых членов академии. При этом создается новое отделение нанотехнологий. Кроме того, россияне по отделениям со словом «нано» (по физике, химии, биологии…) выберут еще 13 академиков и 35 членкоров за один раз! Это серьезный признак того, что направлению уделяется самое серьезное внимание.

— Как на этом фоне выглядит Украина?

— Чтобы говорить о намерениях нашей страны всерьез, должно быть понимание на государственном уровне значения такой программы в жизни страны. Силами одной академии решить ее нельзя. На сегодняшний день действует программа «Наноструктурные системы, наноматериалы и нанотехнологии» под руководством академика А.Шпака. Но это не те деньги, на которые можно получить серьезные результаты. И все же у исследователей, вовлеченных в эту программу, пока есть энтузиазм и немалые достижения.

— Какие, например, у вашего института?

— Чтобы их оценить, достаточно посмотреть, где публикуются результаты работ в области нанотехнологий. В последнее время у нас вышли работы в ведущих физических журналах с высоким рейтингом и импакт-фактором. Например, статья о разработке технологии выращивания самоорганизованных квантовых точек опубликована в авторитетном британском журнале «Нанотехнология». Картинка выращенных структур, полученная методом атомно-силовой микроскопии, вынесена на обложку журнала.

— Однако эти результаты будут включены не в рейтинг НАНУ, а тех зарубежных институтов, в которых эти исследования проводились. При таком зачете академии не выбраться с 677-го места, на котором она сейчас пребывает.

— Не совсем так. Действительно, в списке авторов, кроме сотрудников нашего института, есть «иностранцы» с украинскими фамилиями. Однако написано, что они приехали из Института физики полупроводников НАНУ. Тем более что вся измерительная работа была сделана в Киеве, могу показать установки.

— Верю, но если посмотреть в подзаголовок статьи, которую вы демонстрируете, рядом с авторами стоит «университет Арканзас» и зачет идет ему, а не НАНУ.

— Это, к сожалению, издержки той системы финансирования, которую мы сегодня имеем. Мы вынуждены опираться на силы зарубежных университетов, так как наша технологическая база еще достаточно слаба.

Вот еще одна замечательная работа по созданию акустического аналога лазера, выполненная в содружестве с британцами. Но идея была выдвинута нашими теоретиками — профессором В.Кочелапом и его сотрудниками. Речь идет о генераторе когерентных акустических фононов терагерцового диапазона.

— Где можно использовать это открытие?

— Акустический лазер позволит работать на очень высоких частотах. С его помощью мы можем передать огромную плотность информации за очень короткое время. Я думаю, что он найдет широкое применение в оптоэлектронике. Неудивительно, что результат этих исследований был опубликован в одном из лучших физических журналов мира Physical Review Letters с высочайшим рейтингом и попал, по оценке Американского физического общества, в десятку наиболее весомых достижений за 2006 год.

Эта работа делалась совместно с учеными из Ноттингемского университета. Мы получали финансирование в рамках академической программы 100 тысяч гривен в год, в то время как правительственное вливание в работу британской команды составляло около миллиона фунтов стерлингов.

— А когда появится коммерческий прибор, как вы будете делить интеллектуальную собственность и будущие роялти?

— Думаю, что мы вообще потеряем авторство, потому что запатентовать и затем поддерживать патент в различных странах нам не по силам. Для этого нужны огромные по нашим меркам финансы.

Кроме того, у нас есть множество других важных разработок. Так, мы разработали в Украине технологию изготовления биоморфного (биосовместимого) карбида кремния. Такой материал может быть широко использован для трансплантатов при различных костных операциях, для зубопротезной промышленности.

Наши изделия из карбида кремния, полученные по достаточно недорогой технологии, позволяют предложить набор разнообразных применений — в качестве теплоизоляционных материалов, материалов для систем защиты реакторов, в качестве мембран для водородной энергетики.

В рамках другой академической программы «Сенсорные системы для медико-экологических и промышленно-технологических потребностей» (ее возглавляет академик А.Ельская) есть хорошая разработка по ранней диагностике онкологических заболеваний. Мы создали миниатюрный прибор, использующий известный физический эффект — поверхностный плазмонный резонанс (ППР). Эффект оказывается очень чувствительным к состоянию поверхности тонкой золотой пластинки, в которой лазерным лучом возбуждаются электромагнитные волны — плазмоны. Подобрав соответствующим образом покрытие, можно, например, достаточно четко по содержанию крови определить состояние человека. Сотрудники нашего института проводили исследования в Институте нейрохирургии им. А.Ромоданова АМН Украины. Результаты показали, что уровень изменений показателей ППР периферийной крови может коррелировать с клеточной плотностью глиом, отображая степень их злокачественности, что, в свою очередь, может быть использовано для ранней диагностики онкозаболеваний.

— Еще недавно трудно было предположить, что Институт полупроводников будет заниматься такими вещами. И вы не одни в Национальной академии — сейчас в какой институт ни придешь, везде физики и химики занимаются медициной. Что это за наваждение?

— Различные отрасли науки физика, химия, биология — объективно сходятся на наноуровне, используют одни и те же атомно-молекулярные представления. Кроме того, надо выживать. Наше бюджетное финансирование обеспечивает лишь 60 процентов необходимых трат института. Этого едва хватает на зарплату. Остальные 40 процентов мы должны добывать сами. А нам нужно еще и новое оборудование, которое сейчас очень дорогостоящее. Понятно, что мы не сможем развиваться дальше, если не будем приобретать современное технологическое, диагностическое оборудование.

Каких-то 20—30 лет назад институт имел полный цикл: мы могли выращивать кристаллы, пленки, работать с кремнием, германием, у нас были мощные технологические отделы. Но когда перешли на уровень малых размеров, потребовались многослойные структуры со сложной архитектурой и дизайном, другое ростовое оборудование. Сегодня нужны установки для молекулярно-лучевой эпитаксии, эпитаксии из металлорганических соединений. Такого оборудования у нас нет, оно очень дорогое.

— Подобные траты для нашего небогатого государства посильны?

— В бюджете Киева есть статья — доходы от проведения тендерных процедур. Она составила пять миллиардов гривен. А ростовая установка стоит всего миллион-полтора евро. Тем не менее в Украине нет ни одной современной установки!

Чтобы выжить, участвуем в различных международных программах. Это позволяет нам добывать дополнительные средства. Наши сотрудники работают в Европе, США, Японии. Это, с одной стороны, позволяет им повышать квалификацию. С другой, они оказывают помощь институту, снабжая своих коллег необходимой литературой и образцами для исследований.

Были определенные надежды на российско-украинскую программу по нанофизике и наноэлектронике. Когда она началась, Россия очень активно финансировала свою часть, а Украина практически ничего не вкладывала. Сейчас Украина вроде бы спохватилась и что-то вложила, но теперь Россия охладела к программе.

Наше будущее связываем с большой аспирантурой в институте. Каждый год принимаем по 15—17 человек. Но в последние годы практически все они иногородние. К счастью, уровень образования за пределами Киева достаточно высок, однако следует отметить, что в целом подготовка поступающих в аспирантуру не соответствует сложности задач, стоящих перед исследователями. Требуется специальная «постуниверситетская» подготовка. В нашем институте уже несколько лет академик С.Свечников и профессор В.Кочелап читают курс лекций для аспирантов по квантовым структурам, нано- и оптоэлектронике. Прием в аспирантуру большого числа иногородних ставит перед нами дополнительную задачу: как им обеспечить жилье?

— И откуда приезжают аспиранты?

— Из Черновцов, Тернополя, Луцка…

— Неужели в Луцке можно подготовить серьезного физика?

— Я член совета по защитам диссертаций в Волынском университете им. Леси Украинки, и мне кажется, что там защищаются добротные диссертации. Конечно, есть специфика. Подобные университеты не могли соперничать со столичными академическими институтами, поскольку не было необходимой базы. Но они нашли выход: занялись выращиванием и исследованием сложных систем с пятью-шестью компонентами. Со временем оказалось, что такие материалы востребованы в некоторых областях. На этом они делают свою науку. В Черновцах, например, занимаются выращиванием соединений кадмий-теллур, кадмий-ртуть-теллур, широко использующихся в приборах ночного видения, тепловизорах.

— Диву даешься, как наш народ ухитряется еще делать в таких условиях стоящие вещи!

— Меня тоже многое удивляет в нашей стране. Много несуразностей на каждом шагу. Например, Украина выпускает танки с превосходной механикой и вооружением, но когда их покупают индусы или пакистанцы, то сразу же меняют навигационное оборудование, электронную начинку — ставят французские системы ночного видения и все остальное. Это обидно хотя бы потому, что мы тоже можем делать прекрасную электронику. Например, НИИ «Орион» совместно с нашим институтом разработал приемопередатчик для автомобильных радаров системы позиционирования в пространстве GPS. Европа и США ныне переходят на новый частотный диапазон. Они раньше работали на частоте 36—37 ГГц, а сейчас из-за протестов экологов принят новый стандарт — 78 ГГц. Но элементной базы для такого перехода нет. А поскольку «Орион» работал в этом направлении и у него хорошие заделы, то вполне можно решить эту задачу. Если поставить дело на поток, где все автоматизировано, можно производить изделие с приемлемой ценой. На какие деньги это сделать?

— Придется отдать китайцам. Они будут выпускать дешево, а вы получите копеечное роялти.

— К сожалению, это единственный выход в наших условиях. Хотя значительно лучше было бы организовать у нас массовое производство и здесь удешевить его…

Но палки в колеса нам вставляются на каждом шагу. Вот к примеру, деньги от сдачи помещений в аренду идут на спецсчет. Казалось бы, часть этих денег можно потратить на оборудование, но сделать этого не можем, так как нам предписывается расходовать эти деньги только на ремонт и покупку кое-каких материалов.

Ну а тендер — это вообще совершенно неприемлемая система, которая связывает по рукам и ногам, да еще и грабит. Вот если бы Счетная палата взялась проверить, сколько денег потрачено на закупки 20 видов товаров до введения тендерной процедуры и после. Выяснилось бы, что после ее введения мы можем купить только 10. Остальное съедает тендерная процедура. Спрашивается: зачем все это?

И все-таки в наших планах расширение диагностического центра, который уже сейчас обслуживает почти все институты НАНУ. В центре постоянно много заказов, очередь желающих. Создали его за счет академической программы покупки дорогостоящего импортного оборудования. В первый год нам удалось расширить возможности атомно-силового микроскопа, во второй приобрели прекрасный трехканальный рентгеновский спектрометр. С его помощью в отделении директора института, члена-корреспондента НАНУ В.Мачулина удалось провести анализ качества материалов толщиной всего несколько атомных монослоев. В этом году (не сглазить бы!) мы закупаем микрорамановский спектрометр. Это очень мощный прибор. В Украине ничего подобного нет, да и в России есть только один такой прибор. В нашем центре уже работает атомно-силовая микроскопия, рентгеновская микроскопия. А если будет приобретен микрорамановский спектрометр, запустим оптическую и электрическую диагностику. Есть надежда, что в рамках российско-украинской программы, на которую в этом году выделено около 45 миллионов гривен, будет закуплен технологический комплекс для выращивания эпитаксиальных структур из металл-органических соединений, а к нему диагностический комплекс. Вот тогда круг наших возможностей в области нанотехнологий и нанофизики существенно расширится.

Один нанометр (нм) равняется миллиардной части метра. Считается, что элементы с размерами менее 100 нм — это уже область нанотехнологий. Чтобы нагляднее представить мизерность этого размера, сравним его с известными биологическими объектами:

толщина волоса — 50 000 нм,

эритроцит — 7 000 нм,

бактерия — 1 000 нм,

вирус — 100 нм,

толщина ДНК — 2,5 нм,

молекула аспирина — 1 нм.

Как видим, даже бактерия выглядит слишком грубой и большой для наномира, а крохотный вирус упирается в его верхнюю границу.