​Восемнадцать лет назад ученые Института физики полупроводников имени Ржанова СО РАН предложили уникальную нанотехнологию, позволяющую создавать из полупроводниковых пленок массивы трехмерных наноструктур.

«Наука в Сибири» поговорила с автором этой технологии заведующим лабораторией физики и технологии трехмерных наноструктур доктором физико-математических наук, профессором Виктором Яковлевичем Принцем о том, что сегодня представляют собой нанотехнологии и насколько они развиты в нашей стране. 

— О нанотехнологиях в России говорят далеко не первый год. Почему, несмотря на старания правительства, прорыва не произошло?
 
— Лет десять назад наша страна решила заняться этой сферой, вложила в нее деньги, но в значительной степени это была «ура-кампания». Денег было не так много, но, что страшнее, постоянно происходила грубая подмена понятий: за «нано» выдавались объекты, которые были в сотни, тысячи раз больше нужных размеров. В большинстве случаев это были нанотехнологии низкого уровня: добавление нано-, а порой и микрочастиц в полимеры. Человечество использовало такие методы еще при формировании цветных стекол в Древнем Египте, витражей — в Средневековой Европе. До лабораторий деньги просто не доходили. Оборудование поставлялось в университеты, многие из которых не были готовы к серьезным технологическим исследованиям. А тем временем в СШA, Европе, Японии, Китае, Южной Корее шла целенаправленная систематическая работа в условиях конкуренции — в итоге сегодня область высоких нанотехнологий уже вносит большой вклад в их экономику. Например, выпуск только одного типа устройства: флэш-памяти на 520 GB, приносит компании Samsung Electronics 10 миллиардов долларов в год.

— И насколько сильно наше отставание от мировых достижений?
 
— Думаю, что в области высоких нанотехнологий оно составляет более пятнадцати лет, и это серьезная проблема. Еще немного, и такое положение дел всерьез скажется на технологическом суверенитете и безопасности страны, медицине и многих других сферах. Мы не имеем права отстать на десятилетия в развитии нанотехнологий. Необходимо изменить отношение к технологиям.

Наш Институт физики полупроводников СО РАН — лидер среди академических институтов страны в области нанотехнологий. Но даже здесь при докладах и отчетах, посвященных, например, разработке фотоприемников или новых наноматериалов, можно услышать вопрос: «А где у вас физика полупроводников?». Удивительно, но в стране нет и институтов, в названии которых было бы слово «технологии» и которые бы реально за них отвечали. Для сравнения, в США таких больше сотни, причем среди этих институтов есть такие гиганты, как, например, Massachusetts Institute of Technology.
 
У России есть большие успехи в фундаментальных областях физики, химии, биологии, но нет интереса к систематическому эволюционному развитию технологий, а ведь без этого многие результаты фундаментальных исследований не могут быть внедрены. Анализ российской науки показывает: темы российских исследований мало пересекаются с тем, что исследуют на Западе: руководители проектов в нашей стране часто работают над задачами, которыми занимались в прошлом веке, 30—50 лет назад, оставляя современные темы за бортом.
 
— Кто должен определять эти темы?
 
— У нас в стране они должны задаваться государством. Мне кажется, на сегодняшний день лучше всего это делает Российский научный фонд. В Фонд фундаментальных исследований технологии практически не входят, зато недавно появился новый Фонд перспективных технологий — надеюсь, он не будет «срывать яблоки, не поливая яблоню», а предоставит возможность целенаправленной систематической работы ведущим коллективам страны.
 
В истории нашей страны были времена, когда государство бралось за решение жизненно важных проблем, происходил резкий скачок в развитии. Не знаю, возможно ли это в современных условиях. Требуется систематическая работа, эволюционный рост. К тому же трудности связаны не только с недостаточным финансированием и недостатком оборудования: настоящих технологов, людей с определенным складом ума, чрезвычайно мало, а на их обучение (уже после окончания университета) нужно потратить лет пять. Они должны обучиться работать на высокотехнологичном оборудовании, чувствовать технологические нюансы.
 
— С какой скоростью вообще развиваются нанотехнологии? Каковы области их практических применений?
 
— Например, чтобы уменьшить размеры транзисторов в два раза, такие гиганты, как Intel, тратят пять лет. Их результаты потрясают — на подложке одновременно формируются триллионы высококачественных нанотранзисторов. На каждого жителя Земли в год производятся пять миллиардов транзисторов. У нанотехнологий очень широкое применение: безопасность, медицина, транспорт, экология. 
 
Сейчас уже созданы интеллектуальные устройства, сверхбыстрые компьютеры, новые наноматериалы. Например, миниатюрная флеш-память (2 ТБ), объем памяти которой сравним с памятью простого компьютера. Разработаны сверхчувствительные наносенсоры и гибкая носимая электроника, предназначенные для медицинских, аэрокосмических приложений и «Интернета вещей». Уже продаются дисплеи и телевизоры с ультравысокой разрешающей способностью и эффективностью, которые используют квантовые точки для создания более ярких цветов.
 
Для многих применений созданы сверхгидрофобные, самоочищающиеся, антиотражающие, антимикробные и адгезивные поверхности. Разработаны новые технологии секвенирования генов, нанокапсулы для адресной доставки лекарств, материалы для регенеративной медицины, интенсивно ведутся работы по копированию мозга и формированию нейроморфных обучаемых сетей. Спектр уже созданных и разрабатываемых продуктов нанотехнологии огромен — необходимо серьезное отношение к этой области.
 
— Расскажите о своей технологии, в чем она заключается?
 
— Как и многие разработки в России, она была создана не благодаря, а вопреки. Технология позволяет формировать трехмерные структуры — журнал Science в свое время написал, что она «выкатилась из Сибири». С ее помощью можно формировать структуры и приборы, которые нельзя сформировать другими технологиями. У нее есть своя ниша.
 
Кратко о сути. Исходными у нас являются многослойные структуры: например, содержащие три слоя из разных полупроводников. Первым на подложке располагается жертвенный слой, а когда формируется второй и третий, их атомы, под действием межатомных сил, располагаются точно над атомами предыдущего слоя. Это происходит несмотря на то, что второй и третий уровни формируются из разных материалов, у которых в свободном состоянии атомные решетки имеют разные размеры. Если расстояние свободного состояния атомов изначально больше — пленка сжимается, если меньше — растягивается. Когда жертвенный слой отсоединяется, остальные стремятся вернуться в исходное положение — возникает момент сил, и пленка сворачивается. 
 
Когда эти эксперименты только начинались, никто не верил, что таким образом можно создать, например, трубку диаметром меньше микрона. Но мы смогли разработать технологию отсоединения пленки толщиной всего в два атомных слоя — она была в тысячу раз тоньше, чем нам предсказывали. Соответственно, и минимальный диаметр трубки был равен всего двум нанометрам, тоже почти в тысячу раз меньше предсказанного.
 
В действительности этот метод включает много технологических операций. Со временем мы научились создавать целый класс структур: спирали, гофрированные пленки, полусферы и так далее. У каждой из них есть свои особенности и свои приложения.
 
— Эта технология уже нашла применение?
 
Да, то, что сделано с ее помощью, нельзя сделать по-другому, потому что слои выращиваются с необычайной точностью, а диаметр полученных структур невероятно мал. Например, мы смогли создать тончайшие иглы для инъекций в биологии, сенсор магнитного поля и ряд электромагнитных метаматериалов. Но на Западе с помощью этой же технологии делают сотни разных вещей: маленький трубчатый лазер, медицинский чип, нанороботов… огромное разнообразие разработок. За 18 лет она сформировала целое направление в разработке и изготовлении наноприборов и наноматериалов. Результаты изложены в нескольких тысячах статей, индексируемых WoS, более чем в 30 обзорах, в многочисленных учебниках. Международные конференции (Япония, Германия), а также специальные секции (США) были посвящены только данной технологии. К сожалению, в России применять наш метод непросто: это довольно высокая полупроводниковая технология. 
 
Впрочем, недавно нашей технологией сворачивания, с помощью технологии 3D-печати в моей лаборатории был сформирован целый ряд новых материалов, позволяющих управлять терагерцовым излучением (Scientific Reports, 2017 и Journal of Applied Physics, 2017). Это так называемые электромагнитные метаматериалы — искусственно сконструированные материалы с необычными свойствами, отсутствующими в природе. Они формируются из резонансных элементов, размеры которых меньше длины волны. Когда в них распространяется излучение резонансной частоты, вторичное излучение получается куда выше, чем у атомов и молекул привычных нам веществ. Эти разработки предназначены для многих областей: от космических систем до медицины.
 
— В каких вообще областях ваша технология, да и нанотехнологии в целом имеют наибольший потенциал?
 
— Нужно понимать, что нанотехнологии — это манипуляции с веществом на атомарном или молекулярном уровне. Их цель — создать искусственные материалы, устройства, системы, которые будут превосходить уже существующие. И это, конечно, абсолютная технология: она обеспечивает прогресс во всех известных технических приложениях, от земных до космических! Поэтому важно приложить усилия, чтобы сократить разрыв в этой области между нашей страной и мировыми лидерами. 
 
Если еще лет двадцать назад считалось, что рано вкладывать деньги в нанотехнологии, то теперь у них огромный экономический эффект, и на развитие отрасли в России нужно не меньше двух десятилетий. Зарубежные страны пришли первыми на рынок: они совершали много ошибок, проверяли достижимость цели, затратили огромные средства на продукты, многие из которых не пошли в продажу — их опыт дал нам понимание, во что надо вкладывать деньги. Одна из стратагем Сунь Цзы в «Искусстве войны»: выходи вторым — приходи первым. Именно это мы и должны начать делать.
 
Чрезвычайно важно, чтобы при развитии Академгородка было предусмотрено создание Института передовых нанотехнологий, ориентированных на наносенсоры, наноматериалы, интегральную нанофотонику, бионику, наномедицину. Должен, наконец, сработать закон неравномерного экономического развития. Я верю, что настало время экономического подъема России.
 
Подготовила Наталья Бобренок

Похожие новости

  • 21/07/2016

    Александр Латышев: власти должны понимать, что менталитет ученого совсем иной

    ​Наверное, пришло время, когда надо перестать читать фантастические романы - они уже не способны поражать наше воображение. Чтобы удовлетворить свою фантазию, почувствовать приближение чего-то необычного, а подчас даже и потрогать его, следует отправиться на очередную выставку достижений науки и побеседовать с учеными.
    2143
  • 04/10/2018

    Центр полупроводниковых нанотехнологий в рамках «Академгородка 2.0»: от космических фотоприемников до диагностических биосенсоров

    Согласно эмпирическому закону Мура, число транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, увеличивается вдвое каждые два года. Это происходит за счет уменьшения элементов, появления новых технологий и материалов, что отражает высокий темп развития как самой микроэлектроники, так и соответствующей фундаментальной научной базы.
    391
  • 21/04/2016

    Для чего нужны ультрахолодные атомы?

    ​Физика ультрахолодных атомов — бурно развивающаяся во всем мире область науки, в которой Россия, к сожалению, пока отстает. Но новосибирские ученые пытаются исправить положение: в Институте автоматики и электрометрии СО РАН более десяти лет работает экспериментальный комплекс для изучения свойств атомов, охлажденных до сверхнизких температур, а также возможностей их применения.
    2299
  • 08/08/2018

    Академик Александр Латышев: Центр полупроводниковых нанотехнологий должен обеспечить мировой уровень исследований

    ​Тысячные тиражи компонентов из новейших материалов через пять лет смогут получать предприятия российской электронной промышленности. Источник — новый инжиниринговый центр, о котором рассказывает врио директора Института физики полупроводников имени Ржанова СО РАН академик Александр Васильевич Латышев.
    480
  • 05/12/2018

    Автоматика для цехов и проспектов

    ​В Институте автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН прошло совещание по вопросам внедрения разработок института в реальном секторе экономики. Организатором мероприятия выступил департамент промышленности, инноваций и предпринимательства мэрии Новосибирска.
    180
  • 08/08/2016

    Анатолий Шалагин: аддитивные технологии открывают перед человечеством принципиально новые возможности

    ​Директор Института автоматики и электрометрии СО РАН академик Анатолий Михайлович Шалагин из тех, кто не любит много говорить, а сразу предлагает пройтись по лабораториям. "Лучше один раз увидеть", - считает он .
    2637
  • 15/12/2016

    Директор ИЯФ СО РАН Павел Логачёв об ответственности академика, коллайдерах и Нобелевских премиях

    Для доктора физико-математических наук Павла Логачёва последние два года отмечены важными вехами в карьере. В 2015 году он стал третьим по счёту после Герша Будкера и Александра Скринского директором Института ядерной физики СО РАН — крупнейшего академического института России.
    3590
  • 25/11/2016

    Сергей Алексеенко: будущее за альтернативными источниками энергии

    ​На прошедшем недавно XII Новосибирском форуме "Инновационная энергетика", который организован департаментом промышленности мэрии Новосибирска, были представлены разработки в энергетике для нужд городского хозяйства.
    1984
  • 13/06/2018

    Академик Сергей Алексеенко: эта премия — не только личные достижения, но и успех страны

    В 2018 году премия «Глобальная энергия» была присуждена сибирскому ученому, заведующему лабораторией тепломассопереноса Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН и его директору с 1997 по 2017 годы академику Сергею Владимировичу Алексеенко.
    831
  • 24/01/2018

    Академик Сергей Алексеенко: надо повышать эффективность использования и переработки органического сырья

    ​Будущее человечества — в развитии экологически чистых и эффективных технологий переработки органического сырья, использовании возобновляемых источников энергии. Насколько мировая, в том числе и сибирская, наука продвинулась вперед в этих вопросах? На этот и другие вопросы отвечает научный руководитель Института теплофизики СО РАН Сергей Владимирович Алексеенко.
    607