Новая физика сквозь магический кристалл

Дмитрий Рогило: «Слоистые материалы исследуют, видят, что они очень интересные, но проблемы роста для них пока не решены». Фото Андрея Афанасьева

Что такое нанодиагностика, как работают вандерваальсовы связи и почему японцы аплодировали стоя нашему ученому – в беседе с Наталией ЛЕСКОВОЙ об этом рассказывает кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории нанодиагностики и нанолитографии Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН Дмитрий РОГИЛО.

– Дмитрий Игоревич, нанодиагностика – это диагностика материалов, людей?

– В основном материалов. У нас в институте действует Центр коллективного пользования, и любая организация может заказать какие-либо исследования на нашем оборудовании – например, на электронном микроскопе. Что касается диагностики людей, однажды мы делали исследование имплантов, которые разрабатывают в НМИЦ имени академика Е.Н. Мешалкина, расположенном от нас практически через дорогу.

Но в основном это работы, связанные с текущей деятельностью института. У нас здесь много аналитического оборудования, востребованного лабораториями, где синтезируют полупроводниковые наноструктуры с теми или иными интересными свойствами. Кто-то изучает сверхпроводники, кто-то – электронные или оптические явления. В институте более 30 лабораторий, и каждая занимается чем-то своим. Когда нужно не просто померить свойства, но и узнать, чем эти свойства обусловлены, нам приносят образцы.

– Что это за образцы?

– Обычно это кристаллы или какие-либо аморфные тела. Наша задача – заглянуть внутрь, чтобы узнать атомное строение вещества, с помощью наших микроскопов посмотреть, какую форму эти кристаллы имеют, какой у них химический состав, где какие атомы «сидят». Исходя из этой информации, можно разобраться, почему структура, сделанная из тех или иных материалов, имеет именно такие свойства, а значит, можно понять, как использовать этот материал. Таким образом, физики в институте стараются понять природу естественных или искусственных образцов – почему те или иные объекты обладают именно такими свойствами, а самое главное – используя эти знания, можно понять, как организовать материю таким образом, чтобы она обладала нужными нам свойствами.

– Иначе говоря, вы можете предсказать, как создавать материалы с заданными свойствами?

– Да, некоторые коллеги-физики именно так и ставят задачу. А нанодиагностика позволяет заглянуть в наномир, чтобы все это увидеть.

– Как вы это делаете?

– У нас имеется много разных приборов. Например, в высокоразрешающий просвечивающий микроскоп мы помещаем тонкий кристалл, чтобы насквозь просветить его электронным пучком. Группы летящих сверху вниз электронов фокусируются на нашем кристалле, излучение с ним взаимодействует, и мы видим изображение, которое формирует микроскоп. Это канальцы, колонки и даже отдельные атомы.

Похожего класса аппаратура есть еще в нескольких научных центрах нашей страны. Но, в общем, это достаточно редкие научные приборы.

– Но я знаю, что у вас есть и уникальный микроскоп. Расскажите его историю.

– Исходно этот микроскоп был изготовлен в Японии еще в 1960-е. Изначально его функционал – рассматривать отдельные кристаллы. Заглянуть внутрь кристалла, рассматривать отдельные атомы он не может. Но в стенах нашего института под руководством нынешнего директора, академика РАН Александра Васильевича Латышева микроскоп был переделан таким образом, что может работать в совершенно другом режиме.

– Как это удалось сделать?

– Это произошло в 1980-е годы, когда еще не существовало ни сканирующего туннельного микроскопа, ни зондового микроскопа, которые сейчас активно используются. Эти приборы появились только в 1990-е. Но были попытки переделывать существующие электронные микроскопы для изучения явлений на поверхности образцов в том числе. Такие работы проводились и в нашем институте. Так появился этот прибор, который до сих пор исправен и отлично работает. Его сконструировали, собрали, увидели физику процессов на поверхности кристаллов, в результате чего было открыто новое явление – эффект эшелонирования атомных ступеней.

– Что это значит?

– Атомные ступени на поверхности кремния впервые увидели японцы с помощью созданного ими аналогичного микроскопа. Если мы возьмем кристалл и сделаем аккуратный скол, то он сломается там, где меньше всего атомных связей. Но мы не можем сколоть его идеально ровно – обязательно будут какие-то неоднородности. Поскольку практически все атомы в кристалле строго упорядочены, он скалывается в виде идеальных плоскостей, разделенных ступенями. Их и назвали атомными ступенями. В свое время это впечатлило мировую общественность. Но вскоре стало ясно, что эти ступени ведут себя странным образом.

Дело в том, что при высоких температурах атомы активно перемещаются по поверхности кристалла, но при еще более высоких температурах они начинают переходить в вакуум. Это так называемый процесс сублимации. Почему лампа с вольфрамовой нитью накаливания перегорает? Материал просто улетает в вакуум – атомы покидают поверхность кристалла, и ступени служат источниками этих атомов. Атом отщепляется – ступень сдвигается.

Это наблюдалось и ранее, но Александр Васильевич Латышев обнаружил следующий эффект: если мы нагреваем кристалл постоянным электрическим током, эти ступени могут начать собираться в группы, причем это процесс нарастающий и бесконечный.

Этот процесс изучили, выяснили, что он обратимый: если опять изменить температуру и направление тока, группы распадаются. Это явление тогда не имело аналогов. Японцы его видели, но не могли описать, публикаций на эту тему не было. Открытие этого явления, получившее название эффекта эшелонирования атомных ступеней, принадлежит Александру Васильевичу.

Для теоретического описания новой физики слоистых материалов необходима и сверхвысокоточная аппаратура.  Фото Андрея Афанасьева

– Абсолютно. Было получено видеоизображение, его Латышев продемонстрировал на научной конференции японцам, которые долго не могли поверить, что такие результаты получены на стареньком микроскопе. А когда они поняли, что это действительно так, зал встал и долго ему аплодировал. Он некоторое время жил и работал в Японии, сделал там ряд важных, интересных работ, ему предлагали там остаться – но он вернулся.

– Над чем работают сотрудники лаборатории сейчас?

– Мы открыли новое направление. Существуют слоистые материалы – например, графен, о котором сегодня слышали все. Правда, графеном здесь мы пока не занимаемся, высококачественных подложек с графеном, необходимых для наших исследований, пока не научились изготавливать. Но есть и другие слоистые материалы, где каждый слой не из углерода, а из чего-то более сложного. В молекулярные слои могут быть собраны, например, атомы серы, селена или теллура и атомы какого-либо металла. Сейчас в мире активно изучают именно такие материалы, потому что высота одного слоя там – всего один нанометр и его можно отделить от кристалла. Затем такой слой можно переместить на кремний или графен и слой за слоем собрать какую-то составную структуру.

Было показано, что из этих материалов можно делать прекрасные полупроводниковые устройства, которые будут иметь характеристики лучше, чем устройства из тех материалов, к которым мы привыкли в полупроводниковой науке. Между слоями при этом образуется не химическая связь, а физическая – так называемая вандерваальсова связь.

Вандерваальсово взаимодействие намного слабее химических связей (ковалентных, ионных). В ковалентной связи атомы обмениваются электронами. При образовании ионных связей часть атомов отдает электроны, часть их принимает, в результате соседние атомы имеют противоположный заряд и притягиваются электростатическими силами. Вандерваальсовы же силы действуют между нейтральными атомами или молекулами (а в нашем случае целыми слоями) за счет того, что составляющие их электроны, ядра и электромагнитное поле не статичны, а всегда немного флуктуируют. Когда частицы сближаются, эти флуктуации начинают друг на друга влиять, создавая слабое притяжение.

– А что это значит практически?

– Если взять тот же графен, он отшелушивается как раз по этим вандерваальсовым связям. Графен – это прочный слой атомов углерода, именно большое число таких слоев дает черный цвет графита.

А есть вариант, когда вандерваальсова связь образуется между этими слоями, благодаря которой они легко скользят и отшелушиваются, когда мы пишем графитовым карандашом. Это связи, действующие между нейтральными молекулами.

Как сейчас у нас в воздухе летают молекулы кислорода и азота – они между собой взаимодействуют как раз благодаря вандерваальсовым силам, и эти связи становятся существенными только на расстоянии порядка нанометра. Начинается активное притяжение, потом отталкивание. Любой такой материал можно собрать слой за слоем, как конструктор «Лего», но под любым углом. Это уникальное свойство слоистых материалов, которое обеспечивает вандерваальсова связь между слоями. Сами же молекулярные слои определяют остальные физические свойства материала, и в некоторых случаях удается создать устройства с ключевыми характеристиками лучше, чем на классических материалах, к которым мы привыкли.

– О каких устройствах речь?

– Это полупроводниковые устройства, например, транзисторы, вычислительные или силовые, позволяющие малым напряжением регулировать большой ток; фотоприемники, в частности светочувствительные матрицы; светоизлучающие устройства, сенсоры давления, пьезоэлементы и т.д. В ряде научных работ сообщается, что с использованием нескольких слоистых материалов удалось создать чрезвычайно тонкие устройства, которые конвертируют свет в электрический ток с рекордной эффективностью. Такие полупроводниковые структуры могут если не заменить современные фотоприемные устройства или солнечные элементы, то по меньшей мере улучшить их потребительские свойства. Многообразие слоистых материалов очень велико, как и потенциал их возможного применения.

– Но наверняка есть проблемы?

– Да. Они заключаются в том, что мы не можем создать массовое производство устройств на чешуйках размером в микроны. Материал должен расти пластинами. Но пластинами он растет плохо – именно из-за этих вандерваальсовых связей, которые накладывают определенную новую физику на процесс роста таких структур. Это существенно усложняет понимание физики роста слоев, ее теоретическое описание.

Значительная часть полупроводниковой науки дошла до конечных устройств благодаря тому, что удалось как-то преодолеть проблемы с дефектами кристаллов. Вообще полупроводники начались с того, что их научились чистить. С классическими материалами за прошедшие полвека мы видим огромный прогресс в полупроводниковых устройствах.

Слоистые же материалы, которые называют халькогенидами переходных металлов, пока находятся в самом начале пути. Их исследуют, видят, что они очень интересные, но проблемы роста для них пока не решены. Мы посвящаем свои исследования в том числе тому, как вырастить хотя бы некоторые из этих материалов в пригодном для массового применения качестве.

– Какие успехи?

– У нас есть прибор – сверхвысоковакуумный отражательный электронный микроскоп, мы между собой называем его «семеркой». Больше таких приборов на планете нет. Он позволяет делать с материалом что угодно – нагревать, охлаждать, осаждать на него новые материалы. У нас получается, хотя добавление новых материалов в вакуумную камеру может создавать проблемы.

Коллегам, которые здесь же делают эксперименты с чистым кремнием, временами кажется, что селен создает какую-то примесь, но устройство прибора таково, что жидкоазотное охлаждение всех стенок камеры создает сверхвысокий вакуум, и селен на стенках не может повлиять на эксперимент.

Однако если примесь селена в какой-то момент станет действительно невыносимой, мы обратимся к коллегам на другом берегу Оби. Там есть завод, который делал эту камеру и сделает новую. Здесь за соседним столом мы делаем новый прибор с большими возможностями и надеемся на новые интересные результаты.