13/08/2018

Профессор Вячеслав Сторчак: необходимо интегрировать новые направления с кремниевыми технологиями

109

Информационные технологии развиваются столь быстрыми темпами, что человечество не всегда успевает на эти изменения реагировать. Все это - во многом благодаря новым материалам с принципиально новыми свойствами.

100 лет назад рассуждения К.Э. Циолковского о будущих космических полетах казались абсолютной фантастикой. 30 лет назад никто из нас не мог себе представить, что шариковые ручки станут анахронизмом и им на смену придут разнообразные гаджеты, с помощью которых можно не только писать, но и делать многое другое. 20 лет назад мобильные телефоны были привилегией избранных - большие, тяжелые, далеко не каждому по карману. Остальные пользовались пейджерами - многие ли сегодня помнят, что это такое? Информационные технологии развиваются столь быстрыми темпами, что человечество не всегда успевает на эти изменения реагировать. Пройдет еще каких-нибудь десять лет - и мир может измениться до неузнаваемости. Все это - во многом благодаря новым материалам с принципиально новыми свойствами.

Чего нам ждать от недалекого будущего - об этом наш разговор с Вячеславом Григорьевичем Сторчаком, доктором физико-математических наук, профессором, начальником лаборатории новых элементов наноэлектроники Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ "Курчатовский институт".

- Вячеслав Григорьевич, вы возглавляете лабораторию новых элементов наноэлектроники. Что это такое?

- Как известно, кремниевая технология, которая лежит в основе всех информационных технологий - компьютеров, телефонов. Других устройств, - в настоящее время подходит к своему физическому пределу. Последние 50 лет развитие информационных технологий на базе кремниевой технологии осуществлялось в основном путем миниатюризации элементов - транзисторов, интегральных схем, элементов памяти.

При этом количество транзисторов на единицу площади, согласно так называемому закону Мура, в среднем удваивалось каждые два года.

Так продолжалось на протяжении нескольких десятилетий, и наконец латеральные размеры элементов подошли к определенному пределу. Речь о том, что в силу фундаментальных физических ограничений перестают работать принципы, положенные в основу действия устройств на базе кремния. Так, современные коммерческие процессоры работают на частотах, не превышающих 5 ГГц, тогда как, согласно прогнозам аналитического отдела Intel, должны были преодолеть рубеж в 10 ГГц еще в 2007 г.

Таким образом, во-первых, уменьшение до наноразмеров привело к тому, что основная парадигма работы транзистора, а именно переключение состояний "включено/ выключено", перестает работать.

И, во-вторых, в результате миниатюризации элементов микроэлектроники на единицу площади их оказалось настолько много, что тепловыделение не позволяет им функционировать в должном режиме. Эти обстоятельства определяют необходимость поиска новых направлений, материалов и принципов работы элементов интегральных схем. В настоящее время рынок информационных технологий оценивается более чем в $3,5 трлн в год и эксперты предсказывают мировой экономический кризис, если не будет найдена новая технология, альтернативная кремниевой электронике.

И вот в 2016 г. корпорация Intel, флагман микроэлектроники, впервые с 1968 г., с момента своего основания, объявила о глобальной смене парадигмы развития микроэлектроники. Те фундаментальные пределы, к которым подошла кремниевая электроника, заставляют разработчиков микроэлектронных устройств искать иные пути. Выделены два направления - туннельные транзисторы и спинтроника - как альтернативы кремниевой электронике на ближайшие десятилетия. И если туннельные транзисторы, по мнению руководителей департамента развития технологий Intel, не имеют в ближайшее время перспектив коммерциализации, то спинтроника обладает этим преимуществом. Именно поэтому Intel выделил спинтронику в качестве нового магистрального направления развития электроники.

- Что такое спинтроника?

- Обычно принцип работы устройств электроники предполагает перенос заряда электрона. Это сопровождается нагреванием материала, большим тепловыделением, что не позволяет осуществить дальнейшее масштабирование элементов. Спинтроника основывается на другом фундаментальном свойстве электрона - его спине, то есть собственном моменте импульса, который может в определенных условиях осуществлять одно из двух состояний - вверх или вниз. На этом свойстве основывается принцип "включения/выключения". Переворот спина электрона сопровождается очень малым выделением энергии, и это преимущество может оказаться решающим в процессе конкуренции той или иной технологии в микроэлектронике. Таким образом, гонка к гигагерцам заменяется на гонку в сторону ограничения тепловыделения. С одной стороны, значительное уменьшение тепловыделения позволит компенсировать возможное уменьшение тактовой частоты и общей производительности, что особенно важно для массивных вычислений. С Другой стороны, фокус сдвигается в сторону облачных технологий, а также мобильных устройств, работающих в условиях ограниченной мощности.

- Неужели речь идет о полном отказе от кремниевых технологий? Ведь во всем мире построено огромное количество заводов по производству микроэлектроники на основе кремния.

- Да, это так. Никто, конечно же, не сможет отказаться от тех инвестиций, которые вложены в эти заводы. Значит, необходимо интегрировать новые направления с кремниевыми технологиями.

- Итак, человечеству необходимо создать кремниевую спинтронику. Задача, как я понимаю, не из легких.

- Да, совсем не из легких. Дело еще в том, что кремниевая технология планарная, то есть двумерная, а это значит, что нужно искать новые технологии, которые были бы тоже двумерными. Действительно, по всему миру сейчас идет поиск новых материалов.

- И каждый ищет самостоятельно?

- Конкуренцию никто не отменял. Поскольку спинтроника основана на динамике спина, а спин связан напрямую с магнитным полем, новый материал должен быть магнитным. Таким образом, материал должен отвечать следующим требованиям: двумерный, магнитный, интегрируемый в кремниевую технологию. Именно такой материал мы и создали.

- Что представляет собой этот материал?

- Всем известен графен. По структуре он представляет собой двумерный материал, который в планарном виде выглядит как соты. В узлах решетки графена находятся атомы углерода. Но графен не обладает магнетизмом, и в этом его недостаток - наряду с его уникальными преимуществами. А мы уже знаем, что рабочий материал спинтроники должен быть магнитным. Существует структурный аналог графена - силицен, где в узлах решетки вместо атомов углерода находятся атомы кремния. Таким образом осуществляется интеграция с кремниевой технологией.

- Но ведь кремний тоже немагнитен.

- Совершенно верно. Но если силицен интеркалировать магнитными ионами, а в данном случае мы использовали ионы гадолиния и европия, то его можно сделать магнитным, двумерным и, соответственно, интегрированным с кремнием.

- Каким образом все это происходит?

- Осуществляется реакция в высоком вакууме: на подложку кремния направляется поток атомов гадолиния либо европия, и при определенной температуре идет химическая реакция с образованием многослойной структуры - слой гадолиния, слой силицена, опять слой гадолиния, слой силицена. Получается такой двумерный ферромагнитный "слоеный пирог" - уникальный материал, отвечающий всем заявленным выше требованиям.

- Вы сказали - уникальный. Неужели никто больше до этого не додумался?

- Насколько нам известно, ничего подобного в мире нет. Это наша, российская разработка, осуществленная на базе Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).

- А каким путем идут в мире?

- В основном идут путем создания так называемых ван-дер-ваальсовских двумерных ферромагнетиков. Первые работы появились примерно год назад - были опубликованы две статьи в журнале Nature, в которых речь идет о хромовых соединениях. В этих соединениях обнаружен двумерный ферромагнетизм, который, однако, оказался крайне слабым - его можно обнаружить только оптическими методами. Эти ван-дер-ваальсовские материалы напрямую с кремниевой технологией не связаны. Мы в эту гонку включились еще до того, как были опубликованы эти работы, и в результате был синтезирован материал, о котором мы сейчас говорим. Этот материал по сравнению с ван-дер-ваальсовскими материалами на основе хрома обладает достаточно сильным ферромагнетизмом. который можно обнаружить с помощью стандартных магнитометров.

- Насколько я знаю, у вас тоже есть публикация в престижном научном журнале?

- Да, в журнале Nature Communications. В этой статье показано, что создан целый класс двумерных материалов, интегрированных с кремнием и обладающих ферромагнитными свойствами. В этих материалах прослеживается сильная зависимость ферромагнетизма от магнитного поля, а это признак двумерности материала.

- Что вы собираетесь дальше делать с этим материалом?

- Сейчас трудно сказать, какова будет его судьба. Дело в том, что не только магнитные, но и транспортные свойства этого материала сильно зависят от количества его слоев. Как это и требуется в двумерности, мы работаем на уровне монослоев, то есть на подложке кремния оказываются один монослой материала, два, три. Мы научились выращивать определенные наборы слоев и таким образом манипулировать транспортными свойствами структуры.

Во-первых, необходимо повышать температуру ферромагнитного перехода (в настоящее время она составляет порядка 50 градусов Кельвина), доводить ее до комнатной, чтобы можно было конкурировать с нынешней микроэлектроникой. Во- вторых, поскольку материал только недавно создан, необходимо исследовать его свойства и расширять класс такого рода материалов - других силиценовых ферромагнетиков.

- Какими вам видятся основные области его применения?

- Основная область его применения - это кремниевая спинтроника, которая в перспективе может оказаться альтернативой ныне существующей кремниевой электронике.

- Как все это может изменить нашу жизнь?

- Кардинально.

- Давайте представим себе картинку будущего - скажем, 20 лет спустя, когда у нас доминирует новый вид электроники. Что мы увидим?

- Если вы помните, 20 лет назад у нас не было мобильных телефонов. Наши телевизоры представляли собой большие ящики, и в автомобилях не было тех электронных устройств, которыми мы сейчас ежедневно пользуемся. Прогресс электроники не остановить. Если современные суперкомпьютеры сейчас требуют энергии небольшой электростанции. то подобные суперкомпьютеры будущего будут намного скромнее в своих запросах.

- Будут питаться от розетки 220 В?

- Скорее 120 В. Кроме того, приборы станут более компактными, телефоны, телевизоры, различные гаджеты существенно уменьшатся и будут потреблять значительно меньше энергии.

- А электромагнитные излучения станут менее интенсивными? Ведь они влияют на нас, и в том числе на наше здоровье.

- Понятно, что с уменьшением поглощаемой мощности уменьшается и мощность выделяемая. Таким образом, интенсивность электромагнитного излучения тоже будет снижаться. Хотя, на мой взгляд, она и сейчас находится на таком уровне, что не стоит обращать на это серьезного внимания.

- Итак, в России создан материал, который позволяет конкурировать с лучшими образцами западной технологии.

- Да, и это несомненное достижение отечественной науки, нашего национального исследовательского центра. Полученный нами материал мы сейчас патентуем. Хотелось бы отметить, что наша статья в престижном Nature Communications отмечена как одна из наиболее значительных (Editor's Highlight). Это при том что, к сожалению, российские ученые в такого рода топовых научных журналах представлены крайне незначительно. Если не ошибаюсь, за последние два года это первая публикация в журналах уровня Nature и Science чисто российского коллектива без участия западных соавторов, по результатам исследований, выполненных без привлечения западной инфраструктуры.

- С чем вы связываете такую низкую активность российской науки в этих журналах? Ведь, наверное, не с тем, что мы мало создаем новых разработок, а с чем-то другим?

- На мой взгляд, это складывалось исторически: российские исследования не были широко представлены в западной литературе. То. что российские ученые стали публиковаться сначала вместе с западными соавторами, выполняя работы на западных ускорителях. реакторах, либо просто в западных лабораториях, а теперь и самостоятельно. - это очень хорошо. Я сам с 1990 г. работал в Канаде, в Англии, в Швейцарии, проводя эксперименты на ускорителях. В России в это время не было конкурентоспособной инфраструктуры, которая бы позволяла нашим ученым осуществлять исследования на должном уровне, и это тоже сыграло свою роль. У меня много публикаций с западными соавторами по работам, выполненным в рамках западной инфраструктуры, в частности на ускорителях в Ванкувере. Филлигене. в Лаборатории Резерфорда - Эпплтона. В настоящее время появилась возможность выполнять работы мирового уровня, используя российскую инфраструктуру. в частности не имеющее аналогов оборудование нашего Курчатовского института. Тем более что руководство страны поставило задачу достижения независимости, паритета в технологических областях. Наша работа - важный шаг в этом направлении.