Сегодня развитие электроники, существенным образом изменившей технологию прошлого века, вступает в новую фазу. В ряде приложений ее возможности приближаются к фундаментальному пределу, что требует от ученых поиска новых технологических решений.
В прошлом развитие электроники происходило в несколько этапов: от понимания базовых принципов и создания основных компонентов устройств электроники, полупроводниковых диодов, транзисторов до появления устройств высокой степени интеграции – микросхем, а потом и процессоров, содержащих огромное количество элементарных компонент. И наконец, если еще 30 лет назад почти невозможно было представить, что у человечества появятся технологические возможности для промышленного производства мощной и компактной электроники, используемой не только в специальных приложениях, но и в быту, то сегодня, к примеру, тот же смартфон вряд ли вызовет у кого-то удивление.
Возможности современной электроники в значительной степени обязаны прорывным достижениями в области новых материалов и технологии устройств высокой степени интеграции. Однако последнее, в свою очередь, является источником ограничений для дальнейшего развития электронных устройств. Стремительное уменьшение размеров и чрезвычайно высокая плотность компонент процессоров привели к возникновению множества проблем, которые не решить средствами существующей и давно известной технологии.
Повышение требований, которые предъявляются к информационным системам (дальнейшее уменьшение размеров носимых устройств, повышение скорости работы и ее эффективности), обусловили необходимость использовать в качестве носителей информации не электроны, а фотоны.
«Сейчас один из основных трендов в науке — это уход от электронных процессов обработки информации к оптическим. В данном случае как минимум решается сразу три проблемы. Во-первых, снижается стоимость технологического изготовления, ведь, чтобы изготовить нанофотонное устройство или хотя бы элементы для нанофотонных устройств не нужны сверхвакуумные машины, дорогостоящие элементы, которые в том числе наносят вред окружающей среде. Во-вторых, процесс передачи информации со скоростью света — это самый быстрый процесс. Разумеется, никакая электроника с этим не сравнится. И в-третьих, все электронные приборы сильно подвержены разрушению, например, при тепловом воздействии. В частности, эта проблема недавно поднималась в колонке журнала Science [Vol. 358, Issue 6366, pp. 988], в которой обсуждалась возможность управления аппаратами для запуска на поверхность Венеры. На этой планете, как известно, очень высокие температуры, поэтому все транзисторы, которые у нас есть сейчас для обработки информации, не годятся. Так какие материалы и способы анализа информации мы должны использовать, чтобы такого не произошло? В этом может помочь нанофотоника, основными материалами которой сегодня являются термостабильные неорганические и гибридные метал-органические структуры», — рассказывает Валентин Миличко, сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.
Сегодня создание новых фотонных наноустройств является одним из важнейших направлений исследований. Над решением ряда фундаментальных и технологических проблемы ведется интенсивная работа, включая исследования в рамках национальных программ, принятых в США, Европе, России и Китае.
Совместный проект ученых из России и Франции
Комплекс исследований в рамках проекта «Гибридные фотонные наноустройства» реализуют и ученые кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. Накануне проект, над которым петербургские ученые работают совместно с французскими коллегами из Института Жана Ламура (Institut Jean Lamour), получил грант в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014—2020 годы».
Международный проект, направленный на развитие сотрудничества между двумя странами, рассчитан на три года. С российской стороны проект поддерживается и финансируется Министерством образования и науки РФ, с французской стороны — Национальным центром научных исследований Франции (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS).
В рамках совместной работы ученые должны будут развить подходы к изготовлению новых, не имеющих аналогов наноструктур и нанокомпозитов, в том числе гибридных кристаллических наночастиц на основе двух металлов, металл-диэлектриков и метал-органики. В перспективе новые наноструктуры, эффективность которых предстоит доказать в ходе совместных экспериментов, могут стать основой для создания гибридных фотонных наноустройств.
«Важной особенностью разрабатываемых нами материалов является то, что эти наноструктуры, во-первых, кристаллические, во-вторых, состоят из нескольких материалов. Это может быть металл, диэлектрик и(или) органика. Подходы к изготовлению таких структур довольно сложны. Сейчас добиться одновременно таких свойств, как кристалличность, разнообразие морфологии, химического состава в одной наноструктуре чрезвычайно сложно. А мы в рамках этого проекта будем осуществлять разработку структур, обладающих такими свойствами. Потенциально все это может привести к изготовлению фотонных устройств с повышенной эффективностью, с более высокой скоростью срабатывания и другими улучшенными свойствами — например, оптических переключателей, нанолазеров, то есть устройств, работающих на принципах оптики, а не электроники, — комментирует Валентин Миличко. — Кроме того, еще одна из необходимых задач, которую мы должны выполнить в рамках трехгодичного проекта, – это обмен уникальным опытом».
Как будет строиться работа в рамках проекта?
С французской стороны исследования будут вестись в Институте Жана Ламура. Этот институт является подразделением Национального центра научных исследований Франции (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS) — аналогом Российской академии наук во Франции.
Французские специалисты являются одними из лидеров в Европе в области электронной микроскопии высокого разрешения. Этот метод необходим для характеризации и изучения сложных гибридных объектов, создаваемых на наноуровне: он позволяет сразу же определить, насколько удачно расположены атомы, сохраняется ли кристаллическая структура, от которой, в свою очередь, зависят оптические свойства создаваемых объектов, отмечает ученый. Кроме того, французские коллеги обладают обширным опытом и внесли существенный вклад в развитие метода криогенной электронной микроскопии (за этот метод была вручена нобелевская премия по химии в этом году).
И наконец, ученые Института Жана Ламура умеют с помощью методов плазменной химии и 3D печати изготавливать уникальные нанообъекты, содержащие в себе несколько элементов таблицы Менделеева (биметаллические наночастицы). Такие объекты характеризуются высокой кристалличностью и уникальными для природы составами сплавов, что необходимо для нанофотонных устройств.
В свою очередь, ученые кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО обладают наработанным опытом в нанофотонике и нелинейной оптике и могут произвести полную оптическую характеризацию создаваемых нанообъектов, что позволяет экспериментально доказать их свойства и открыть перспективы для их дальнейшего практического использования. Кроме того, специалистам кафедры уже удалось изготовить ряд кристаллических гибридных метал-органических наночастиц.
Как подчеркивает Валентин Миличко, совместная работа началась полгода назад — с предложения о сотрудничестве от французских коллег. По итогам нескольких встреч научные группы решили объединить уникальные компетенции в рамках одного проекта, посвященного разработке материалов для перспективных гибридных нанофотонных устройств. При этом совместный проект начинается не с нуля: ученые уже получили ряд внушительных результатов. Например, французским коллегам удалось впервые в мире изготовить кристаллические биметаллические наночастицы на основе меди и серебра и таким образом получить уникальный расплав, который ранее не был обнаружен. В Университете ИТМО провели полную оптическую характеризацию и подтвердили, что они потенциально могут быть пригодны как объекты для усиленного комбинационного рассеяния и для работы с молекулярными люминесцирующими системами.
В свою очередь, сотрудники кафедры нанофотоники и метаматериалов впервые изготовили гибридные кристаллические полые наночастицы на основе ионов металлов и органических составляющих.
«Эти объекты представляют собой кристаллические полые сферы, тоже не имеющие аналогов в мире. Мы уже провели их оптическую характеризацию, следующим шагом станет выполнение ряда экспериментальных ступеней совместно с французской стороной для доказательства всех структурных и нелинейно-оптических свойств», — говорит Валентин Миличко.
Главным итогом трехлетней работы по проекту станет технология изготовления новых гибридных наночастиц, а также экспериментальное подтверждение их уникальных фотонных свойств. Однако, как добавляет Валентин Миличко, тремя годами совместная работа не ограничится. В планах ученых продолжение сотрудничества, а также еще реализация нескольких европейских проектов.
