Технология SCULL от НОЦ ФМН: прорыв в биомедицине, сенсорике и энергетике

Потери полезного сигнала из-за несовершенства материалов до сих пор являются ключевым барьером на пути разработки сверхчувствительных лечебно-диагностических комплексов, абсолютно защищенных систем безопасности и устройств на новых физических принципах. Ведущие мировые лаборатории уже десятки лет активно работают над поиском новых технологических подходов. В частности, научными группами всего мира ведутся исследования в области квантовой наноплазмоники, которая может позволить создать оптические и квантовые суперкомпьютеры нового поколения, низкопороговые нанолазеры, одномолекулярные биосенсоры, эффективные солнечные батареи и метаматериалы. 

Квантовая плазмоника сегодня – это стремительно развивающееся направление исследований мирового научного сообщества. Однако потери в металлах до сих пор ограничивают широкое практическое внедрение плазмонных устройств. Совершенные тонкие пленки серебра теоретически обладают минимальными потерями среди всех металлов, но на протяжении почти 60 лет никому в мире не удавалось это подтвердить экспериментально из-за фундаментальных технологических ограничений, связанных с особыми природными свойствами серебра. 

На базе НОЦ ФМН всего за полтора года была разработана оригинальная технология нанесения (осаждения) совершенных пленок серебра в вакууме. Ученые реализовали оригинальную вакуумную установку и предложили принципиально новый подход к «сборке» ультрагладких тонких пленок металлов за счет управления их ростом на уровне атомов (SCULL-технология). Помимо уникальных свойств полученных материалов, не имеющих аналогов в мире, разработанная технология сравнительно дешевая и может быть использована практически в любой современной лаборатории. 

Независимые экспериментальные исследования свойств образцов, проведенные главным России, а также в ведущих исследовательских центрах США и Англии, подтвердили уникальные параметры разработанной в России технологии. Запатентованная технология и подтвержденные экспериментально значения существенно превосходят достижения лидирующих в этой области научных групп из США и Швейцарии, некоторые из которых работают над аналогичными технологиями уже более 20 лет. 

Разработанный в НОЦ ФМН комплекс технологий открывает принципиально новые горизонты в изучении фундаментальной физики и практической реализации важнейших устройств на новых физических принципах. 

Илья Родионов, директор НОЦ ФМН, рассказал о созданной технологии и планах: «Это довольно долгая история, но, к счастью, с положительным результатом. Мы задумали эту разработку с нашими партнерами из ИТПЭ РАН еще в 2014 году. Для целого ряда перспективных приборов нанофотоники требовались «совершенные» материалы практически без потерь – только тогда всё начинало работать. Но таких материалов не было ни в одной лаборатории мира. Подробно изучив несколько сотен статей, мы спроектировали оригинальную вакуумную установку, пришли к ректору МГТУ им. Баумана, он нас «услышал» и помог с финансированием. Изготовление установки одной из лучших компаний из Канады и тонкая доработка у нас в центре заняли около 1,5 лет. А потом начались тяжелые будни – примерно за год непрерывной работы, техника работала и все выходные, мы изготовили и проанализировали более тысячи образцов и нашли! Нашли нестандартный механизм – технологию, которая не только обеспечила беспрецедентное качество осаждаемых пленок металлов, но и позволила сделать это абсолютно повторяемым для широкого спектра материалов и дешевым способом. Представьте, мы умеем создавать практически структурно идеальные тонкие пленки металлов с шероховатостью поверхности на уровне диаметра атома самого материала пленки, т.е. 90-200 пикометров (в миллион раз меньше диаметра волоса). Сегодня эти технологии мы используем в разработках уникальных устройств в области нанофотоники, квантовых компьютеров, биосенсоров и другого». 

Владимир Шалаев (профессор Университета Пардью (США), директор по направлению нанофотоника Birck Nanotechnology Center (США)) об истории сотрудничества с командой НОЦ ФМН и SCULL материалах: «…После обсуждения на одной из конференций мы получили от коллег из Бауманского университета первые образцы, результаты измерений нас действительно приятно удивили. Наша команда сотрудничает с лучшими мировыми группами в области нанофотоники и квантовой плазмоники, но SCULL технология и образцы бауманцев сегодня действительно не имеют аналогов. Для ряда наших исследований, например, при изготовлении однофотонных источников излучения в Университете Пардью, мы используем именно эти образцы. Мне очень приятно, что в России появляются действительно уникальные технологические разработки и возможности». 

Разработанная технология прошла национальную стадию патентования, а также подана заявка на международный патент, устанавливающий российский приоритет более чем в 140 странах мира. В мае 2019 года в статье журнала Science разработанная технология отмечена ведущей исследовательской командой США как одна из ключевых технологий на пути создания перспективных устройств квантовой обработки информации. 

Данные публикации: 

Ilya A. Rodionov, Aleksandr S. Baburin, Aidar R. Gabidullin, Sergey S. Maklakov, Sven Peters, Ilya A. Ryzhikov, Alexander V. Andriyash