Конференция «Advanced Materials Week» проходит на площадке Университета ИТМО на улице Ломоносова. В актовом зале собрались ведущие ученые из Франции, Канады, Швеции, Финляндии, Японии, России, чтобы обсудить создание новых материалов, необходимых для ускоряющегося технологического прогресса.
Одним из организаторов первой секции стал Владимир Дубровский, недавно отмеченный Орденом Академических пальм. Эта награда была учреждена Наполеоном Бонапартом в 1808 году и до сих пор служит высшим знаком отличия, которого удостаиваются люди, внесшие большой вклад в развитие науки и образования. В перерыве между секциями международной конференции нам удалось побеседовать с профессором Дубровским.
Для начала, должен вас поздравить с полученной наградой. Что она для вас значит?
Спасибо! Сейчас я являюсь шевалье, то есть рыцарем ордена Академических пальм, там есть разные ступени, в дальнейшем можно стать его командором. Награда, безусловно, – это всегда приятно. Для меня это прежде всего признание того вклада, который внес не только я, но и моя группа, моя лаборатория, которой я руковожу много лет, в развитие нанофотоники.
Мы очень давно сотрудничаем с различными французскими исследовательскими группами. Основной наш партнер во Франции – это Центр наноструктур и нанотехнологий на юге Парижа, сейчас входящий в кластер университета Париж-Сакле. Один из моих коллег и друзей – это профессор Франк Гласс, почетный член Физико-технического института им. Иоффе РАН. Мы с ним на протяжении уже 10 лет возглавляем совместную российско-французскую лабораторию, которая объединяет ряд исследовательских групп, занимающихся широким спектром задач: от фундаментальных свойств полупроводниковых наноструктур до их применения в приборах оптоэлектроники. Я также являюсь приглашенным профессором в университете Клермон-Ферран. Я думаю, что это сотрудничество было замечено и отмечено данной наградой.
Расскажите пожалуйста, над чем сейчас работаете вы и ваши коллеги по лаборатории физики эпитаксиальных наноструктур?
Сам я теоретик и занимаюсь моделированием роста и физических свойств полупроводниковых наноструктур. Основная идея работы состоит в том, чтобы выяснить как, управляя процессом роста нанокристаллов в специальных установках, мы можем менять температуру, потоки материалов и добиваться таким образом нужной нам морфологии, кристаллической структуры и прочих свойств для конкретных приложений.
В своей работе мы используем классические полупроводниковые материалы, которые применяются для лазеров, светодиодов, телекоммуникации. Это полупроводниковые соединения III-V (III-V semiconductors) – полупроводники, состоящие из атомов элементов третьей и пятой группы периодической системы Менделеева, такие как арсенид галлия, который был изобретен и впервые синтезирован в Санкт-Петербурге.
Мы пытаемся создать наноматериал, то есть очень маленькие частицы, чтобы улучшить физические свойства – повысить эффективность, изменить длину волны излучения, улучшить характеристики лазеров, светодиодов, фотоприемников, солнечных элементов и других устройств, которые очень широко используются и совершенно изменили нашу повседневную жизнь.
В основном мы занимаемся так называемыми нитевидными нанокристаллами. Это такие маленькие столбики оптоэлектронных материалов – арсенида галлия, фосфида индия и т.д. Их диаметр составляет всего несколько десятков нанометров, за счет чего их можно выращивать непосредственно на поверхности кремния без образования кристаллических дефектов, создавая электронно-оптические системы, интегрированные с кремниевой электронной платформой. Таким образом, мы интегрируем все на едином чипе, что было мечтой на протяжении тридцати или сорока лет.
В Университете ИТМО проходит международная конференция, на которой вы представили свой доклад. Не могли бы подробнее рассказать об этой своей работе?
Наша секция посвящена полупроводниковым наноматериалам для фотоники, и большинство докладов – по нитевидным нанокристаллам. Я же рассказывал про легирование кремнием нитевидных нанокристаллов арсенида галлия. Чтобы создавать оптоэлектронные приборы, вам нужен р-n переход. Нужно, чтобы одна часть полупроводника имела больше электронов, а другая – меньше. Когда вы подключаете такую структуру к батарейке и по ней течет электрический ток, это и есть полупроводниковый диод. Но для того, чтобы создавать р-n переход, нужно добавлять в полупроводник, который в целом электрически нейтрален, какие-то атомы – примесь, которая создает либо больше электронов, либо больше «дырок». Кремний – четырехвалентный материал, галлий – трехвалентный, мышьяк – пятивалентный. Таким образом, кремний может заменять либо мышьяк, либо галлий в арсениде галлия. И это соответственно ведет либо к созданию большого количества электронов, либо к образованию «дырок» в зависимости от условий роста кристалла. Особенно при росте по механизму пар-жидкость-кристалл. В случае планарного роста арсенида галлия методом молекулярно-пучковой эпитаксии, кремний используется для n-легирования, а в случае роста нитевидных нанокристаллов арсенида галлия с помощью капель металлического катализатора (золота или галлия) он приводит к легированию p-типа.
В докладе я представил модель и экспериментальные результаты, которые позволяют управлять типом и уровнем легирования кремнием в полупроводниковых нитевидных нанокристаллах арсенида галлия. Им можно управлять, меняя потоки материалов и температуру.
Какие бы выделили основные задачи, которые стоят перед физиками, занимающимися нанофотоникой?
Одна из задач – интеграция фотоники с электроникой. Кремний не подходит для большинства оптоэлектронных устройств в связи со своим внутренним свойством – так называемой непрямозонной зонной структурой. Он не может эффективно излучать свет, поэтому из него не сделать лазер или светодиод. Для этого нужны другие материалы с другой кристаллической решеткой. Но если вы их пытаетесь растить в виде тонкой пленки на кремниевой подложке, то ничего не получается. Из-за механического напряжения образуется много дефектов, проще говоря, трещин.
Мы занимаемся тем, чтобы сделать наноструктуру меньше, чтобы минимизировать контакт с кремниевой подложкой. Тогда дефекты можно убрать – совсем. Естественно, это не единственная наша задача.
Глобальной задачей является создание новых функциональных наноматериалов для конкретных приложений. Приложений много – все, что относится к фотонике: освещение, передача и прием информации, увеличение степени ее защиты. Это устройства записи и хранения информации. Чтобы все это делать дешевле, легче, лучше по характеристикам, нужно добиваться новых функциональных свойств, и вот мы как раз занимаемся тем, что создаем новые наноматериалы, которые обладают новыми фундаментальными свойствами, которых нет в объемных материалах.
Один из докладов на конференции, который представил профессор Жан-Кристоф Арман, был посвящен наблюдению за ростом нитевидных нанокристаллов. Во Франции построен удивительный микроскоп, внутри которого происходит процесс роста нанокристаллов методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Вы можете покадрово, с атомным разрешением наблюдать, как растут наноматериалы, с полной диагностикой кристаллической решетки и химического состава. Это удивительная технология! Если бы мне сказали 15 лет назад, что такое возможно, я, честно говоря, не поверил бы. В результате эта технология дает массу работы для теоретиков. Нужно разбирать, что мы видим, возникают вопросы об управлении кристаллической структурой данных материалов. В зависимости от условий роста можно кубическую решетку переводить в гексагональную и получать тот же материал, но уже с другими фундаментальными свойствами. Мы и раньше знали, что это происходит, а теперь знаем, как этим процессом управлять.
Практически во всех докладах вашей секции вы указаны как участник исследования. В других на ваши работы ссылаются. В этой связи вопрос, как развивать научное международное сотрудничество? Как сделать так, чтобы ваша группа была частью большого научного сообщества?
Общего рецепта, наверное, нет. Все начинается с научной работы – никто с тобой просто так сотрудничать не будет. Ты размышляешь, даже просто читая статьи, еще ни с кем не сотрудничая. Ты создаешь какое-то новое знание, публикуешься. Причем желательно на хорошем английском и в хороших журналах. После этого к тебе приезжают люди.
Мы первыми выпустили ряд работ по нитевидным нанокристаллам в 2005 году. К нам приехали коллеги из Франции, мы их не знали, они просто прочитали нашу работу. С тех пор мы сотрудничаем. Дальше важна организация международных конференций, необходимы выступления на престижных международных мероприятиях, обязательно участие в международных проектах. Важно осуществлять обмен аспирантами и студентами. В общем, нужно не лениться сотрудничать с людьми, нужно воспринимать их данные, их достижения и просто вести научную работу с ними, с ведущими центрами – с Европой, США, Японией, Китаем.
А как вы отбираете аспирантов и магистрантов для вашей лаборатории?
Мы читаем лекции. У нас есть определенные количество студентов – ребята начинают интересоваться. Кто получше учится, получше разбирается, с теми начинаешь совместно какие-то задачи решать, сначала помогаешь, дальше они сами. Так и отбираем, как нас в свое время отбирали. Самое важное качество для студента – любить тихо, спокойно, в одиночку заниматься научной работой.
В завершение позвольте личный вопрос: что для вас важнее – получение награды, признание или устройство, созданное с использованием ваших исследований?
Конечно, второе важнее. Например, мы предсказали в свое время, что кристаллической структурой в нанокристаллах арсенида галлия можно управлять путем изменения температуры. Во Франции провели эксперимент, повысили температуру на 100 градусов, и в точности в момент ее повышения произошел переход от кубической к гексагональной решетке. Полное попадание, получилось! После этого прошло два-три года, и люди в Швеции стали создавать регулярные сверхрешетки на основе чередования кристаллических фаз. Это удивительная гетероструктура, потому что материал один и тот же, хотя обычно используют разные, но с разной кристаллической решеткой. И на их основе появились новые типы однофотонных излучателей. Это удивительно.
