"Кентавры" и идеальные пленки в электронике будущего: наноплазмоника для сенсоров и квантового компьютера

21 апреля 2020 года

В основе электроники будущего лежит разработка наноустройств. Нанотехнологии позволяют использовать свойства, отличные от таковых у свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств состоящего из них вещества. Это позволяет создавать более совершенные материалы, приборы и системы. Компоненты для них требуют применения очень сложного и зачастую уникального оборудования. Портал Indicator.ru продолжает беседы с сотрудниками НОЦ Функциональные микро/наносистемы МГТУ имени Н. Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА имени Н. Л. Духова».

Руководитель группы разработки фотонных устройств Александр Бабурин расскажет об уникальных исследованиях нанофотоники и квантовой плазмоники — относительно молодых научных направлений, изучающих работу устройств для управления фотонами и колебаниями проводящих электронов в металл-диэлектрических наноструктурах. Они могут применяться в самых разных областях: от сенсоров до квантовых вычислений и коммуникаций.


— Расскажите, пожалуйста, с чего началась ваша работа и чем занимается группа разработки фотонных устройств?

— Илья Анатольевич (Родионов, директор НОЦ ФМН — Indicator.Ru) и его команда посетили различные лаборатории Европы, Америки, Азии для поиска лучших решений, которые были впоследствии реализованы в нашем центре. К моему приходу в 2014 году уже были разработаны базовые маршруты изготовления устройств и закуплена часть оборудования. Первым крупным реализованным проектом центра был масштабный российский проект по изготовлению семейства фотонных устройств на основе принципов наноплазмоники — одного из трендов начала последнего десятилетия. Их работа основана на очень интересном явлении, когда свет может фокусироваться в структурах меньше его длины волны за счет плазмонного резонанса. Потенциально такие устройства могут быть использованы для изготовления ключевых элементов новой электроники (того, что придет ей на смену — Indicator.Ru), эти работы сейчас активно продолжаются и внедряются в перспективных приборах и детекторах нового поколения. Все основные идеи, заложенные в том проекте, были воплощены, а главное, как мне кажется, была разработана уникальная технология изготовления почти идеальных пленок металлов, которые вывели на принципиально новый уровень решение основной проблемы плазмоники — потери.

Речь идет об эпитаксиальных материалах. По сути, эпитаксия — это идеальное повторение структуры вещества, когда один атом четко выстраивается за другим, образую идеальную кристаллическую решетку. Серебро считается лучшим материалом благодаря своим электрическим и оптическим характеристикам, однако оно очень капризное. Металл обладает высокой реакционной способностью: вспомните, украшения со временем темнеют, окисляясь и сорбируя на поверхности газы из атмосферы. То же самое происходит и при создании наноразмерных устройств. Для осаждения пленки серебра необходима очень чистая среда и вакуум, но все равно всегда есть мельчайшие частички и остаточные газы, мешающие формированию тонкого слоя идеального качества. Кроме того, серебро обладает сильным поверхностным натяжением, и эта энергия заставляет материал собираться в капли, что препятствует созданию сплошной пленки. Ее формирование при стандартных подходах возможно лишь с большой толщины. Но такие толстые пленки уже не подходят для изготовления плазмонных устройств.

SCULL Fig_1a_300dpi (1)_sm.jpg SCULL Fig_1a_300dpi (2)_sm.jpg

— Как именно происходит осаждение?

— Это как раз моя специальность, то, чему я учился, — в том числе поэтому меня позвали в проект. Я начал заниматься технологиями осаждения еще на своей кафедре, а переход на работу в НОЦ ФМН многократно расширил возможности проведения моих экспериментов и исследования свойств формируемых покрытий. Конкретно для изготовления пленок серебра с атомарной шероховатостью и идеальной монокристаллической структурой мы применяли установку электронно-лучевого испарения в вакууме. В охлаждаемую емкость — тигель — помещается материал, он нагревается и испаряется при помощи прецизионно сфокусированного электронного луча. Испаренный материал оседает на поверхность расположенной сверху подложки.

Этот подход необычен для изготовления пленок совершенной структуры, поскольку изначально для подобных целей создавались машины совершенно другого уровня, намного дороже. Это установки молекулярно-лучевой эпитаксии. Принцип их работы близок, однако они используют заметно более низкие скорости осаждения и высокий вакуум, а на одном приборе работать можно только с одним материалом. Метод электронно-лучевого испарения имеет худшие параметры по вакууму и, соответственно, потенциальной чистоте формируемого материала. Уникальность разработанного нами процесса позволяет не только создавать почти идеальные плазмонные пленки металлов, но и делать это с применением методов и оборудования массового производства. А это гораздо более ценный результат, чем просто лабораторная технология, хотя бы и неповторимая. Благодаря нашей технологии мы создали ряд уникальных устройств — принципы их работы отражены в лучших мировых журналах первого квартиля.

Полный текст интервью здесь

Все новости