Корреспонденты Zelenograd.ru попросили докладчиков форума поделиться видением проблем в этой области и вкратце рассказать о теме своих докладов и о возможности практического применения полученных результатов.
Алексей Демков, Университет Техаса, Остин (США):
— Сегодня самая большая проблема нанотехнологий в создании медицинских приложений. Довольно сложно достать необходимое количество средств. Потому что никто не хочет более быстрых компьютеров и более умных телефонов. Все эти вещи стоят исключительно дорого с точки зрения исследований, а особой нужды нет. Потому что уже всё печатает быстрее, чем я могу пальцами набрать. Вызов — призвать человечество к тому, чтобы оно хотело лучше и быстрее. Оно не хочет и может быть в чём-то право. Тем не менее, мы этим занимаемся.
Я думаю, сейчас это произведет некую революцию в медицине. Мы сами, конечно, медицинским рынком не занимаемся, потому что, кроме физики, ничего не знаем. Но мы думаем, что это все найдет применение в каком-нибудь вузе.
Тема моего доклада — «Оксидные гетероструктуры». Занимаемся мы теоретическим и экспериментальным исследованием гетероструктур, построенных на перовскитных материалах и, в частности, их интеграции с кремнием для приложения в наноэлектронике, нанофотонике и в чем только можно.
Николай Чхало, Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород:
— Я занимаюсь оборудованием для современной наноэлектроники. Не само оборудование делаем, а исследования, которые позволяют создавать новые литографические машины, у которых разрешение будет улучшаться. Вот это мне наиболее интересно, для меня это есть главный вызов. Вообще история удивительна и нужно снять шляпу перед разумом и силой человека. У нас старая парадигма линзовой литографии уже заканчивается. И удалось в три-пять раз преодолеть фундаментальные пределы разрешающей способности оптических систем. Для меня это был вызов. Мы по-новому посмотрели на проблему, перейдя в рентгеновский диапазон.
Доклад мой был об особенностях изготовления и изучения этой оптики уже для новых длин волн, для мягкого рентгеновского, экстремального ультрафиолетового излучения. Поскольку там длины волн в десять-двадцать раз меньше, чем сейчас, соответственно в десять-двадцать раз выросли требования к качеству поверхностей. В своем докладе я на примере этой оптики показал слушателям (которые, вообще говоря, не специалисты в этой области) устоявшиеся догмы о методах оптических измерений, в частности, качества поверхностей, причем во всех латеральных размерах, от метров (диаметра самой детали), до нанометра — оказалось, потребовалась ревизия всех подходов. Я это донес, увидел, что люди поняли. Меня это порадовало.
Рентгеновскую оптику мы производим уже многие годы, какие-то её виды стали коммерческим продуктов, но всё это было на Запад, в Японию, в США — не было востребованности в России. Но сегодня я рассказал о двух примерах отечественного применения этой оптики. Первое — это проект ФИАН по рентгеновской астрономии, солнечный коронограф. С его помощью были получены очень хорошие, интересные снимки Солнца. Астрофизики на их основе получили новые физические результаты о Солнце и сейчас, учитывая полученные результаты, разрабатывают проект нового телескопа, у которого точность будет уже больше на порядок.
Второе применение — по контракту с «Росатомом» мы разработали и изготовили стенд нанолитографа с рабочей длиной волны 13,5 нанометров и с расчетным разрешением 27 нанометров. В мире нанолитографов меньше десяти. И у нас в России даже начались работы по UV-литографии.
И ещё мы мечтаем, и у нас ведутся переговоры по внедрению разработанных нами методов измерения формы оптических поверхностей в промышленности, чтобы создавать промышленные интерферометры, у которых точность измерения будет более чем в двадцать раз лучше, чем у доступных на рынке интерферометров фирмы Zygo. При этом наша стоимость получается в
Владимир Гриценко, Новосибирский институт физики полупроводников РАН:
— В России нужна своя микроэлектроника. Мы не можем даже для военных производить хорошие, надежные элементы — они закупают за границей, а это большой риск. В нашем институте есть разработки, но в России нет адекватной промышленности. Чтобы наши разработки воспринять, нужен завод, который стоит 4 миллиарда долларов. У нас такого завода в России нет, поэтому мы вынуждены были работать в течение девяти лет на Samsung Electronics — у них такой завод есть, он наши разработки принял в серийное производство.
Мы работали над новым поколением flash-памяти. С нашим участием Samsung успешно завершил эту работу. Samsung разработал flash-память емкостью 64 гигабита на эффекте памяти в нитриде кремния. Использование нитрида кремния вместо плавающего затвора открывает возможность дальнейшего увеличения информационной емкости flash-памяти. Вот Samsung такую память производит, а мы, к сожалению, ее не производим.
В Зеленограде есть «Микрон», «Ситроникс», но у них уровень гораздо ниже, чем у Samsung, который уже производит 22 нанометра. Передовые фирмы осваивают эту технологию. А потом они перейдут на 18 нанометров, потом на 14 нанометров и так далее. А мы остаемся на обочине прогресса. Наши разработки могут сейчас принять только иностранцы.
Сергей Амитонов, МГУ, Москва:
— По аналогии со спортивным девизом «быстрее, выше, сильнее» — меньше и быстрее. Мы вплотную подошли к атому, к атомным размерам и, соответственно, к тому, как при этом будет работать электроника, какие при этом будут использоваться эффекты. К примеру, до меня был сегодня доклад [Н.Чхало], когда люди с субангстремной точностью пытаются сделать линзы — это меня просто поразило.
Если говорить об энергетике − здесь у меня субъективный взгляд. Я учился на кафедре атомной физики и физики плазмы. Нас всегда учили, что солнечного тепла на всех не хватит — солнечная батарея это хорошо, но это не способ заменить традиционную энергетику: атомную и термоядерную. Тем более, если говорить об электронике, то в тёплых странах ставят не солнечную панель, а просто зеркала. Это проще и дешевле.
Кроме того — биосенсорика, применение всего этого для пользы человечества, для здоровья. Это то, чем мы занимаемся. С помощью наших транзисторов можно искать следы заболеваний в организме человека в очень маленьких количествах и, соответственно, диагностировать их на ранней стадии. Делаем меньше, точнее и лучше.
Наша работа — из тех стадий, которые необходимо обязательно пройти, чтобы сделать биосенсор. Эта работа достаточно давняя, постепенно она осваивается. Это тяжелый, кропотливый труд нескольких лабораторий у нас в университете. Тонкий момент в том, что каждый сенсор, любая комбинация белков − это уже инженерная задача, задача химиков: «а вот с этой парой белков этого еще не делали». Наша задача была — сделать этот сенсор. Мы его сделали, галочку поставили.
Другое применение тоже биологическое — просто смотреть в клетки, как клетка живет и что она делает по уровню pH, который там изменяется. Для нас вызов — сделать нанопровод, о котором я говорил в своём докладе, не просто на подложке, а сделать так, чтобы его можно было вставить в определенное место в клетке, посмотреть, что в этом месте происходит, а потом посмотреть в другом месте клетки. Задача послезавтрашнего дня — это сделать кантилевер, чувствительный к электрическому полю. В нашей лаборатории двадцать лет назад придумали такое явление, как одноэлектроника, целая отрасль науки из нее пошла. Для того, чтобы поставить точку в этом явлении, на мой взгляд, не хватает как раз кантилевера, который сможет электрическое поле высокоточно и локально оценивать. Точность изготовления должна быть нанометры, которая пока недостижима. А вот полевой транзистор и нанопровод позволяют чуть хуже, но все равно с разрешением в один микрон осуществить это измерение.
Александр Деспотули, Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, научный центр Черноголовка:
— Если говорить конкретно в наноэлектронике, которая все время уменьшается в размерах элементов, то там главный вызов − это перегрев. Перегрев интегральных схем. И, вследствие того, что не могут решить эту проблему, получается, что частоты компьютеров современных практически перестали расти. Есть проблема, касающаяся другой категории интегральных схем — от них не требуют быстродействия, но там предъявляют требования, чтобы они очень мало потребляли энергии на обработку единицы информации. Мы называем такую область «глубоко субвольтовая наноэлектроника». Потому что расчеты показывают, что очень экономичные интегральные схемы должны работать при напряжении питания интегральной схемы около 0,3 вольт.
Мы сформулировали и опубликовали работу, где говорим, что развитие глубоко субвольтовой наноэлектроники — это перспективная национальная задача России. Работа вышла в
В институте уже с 1992 года мы развиваем новый раздел науки — «наноионика». Это, грубо говоря, быстрый ионный транспорт на наномасштабе в твердом теле. Мой доклад о ряде проблем, которые в наноионике надо решить. Мы говорим, что есть возможность создавать приборы электрохимические по принципу действия с размерами отдельных элементов десять нанометров.
В одной из статей мы вот что написали: «Полученные результаты показывают, что возможно формировать матрицы электрохимических приборов с размерами элементов десять нанометров в пленках». И теперь это направление признается перспективным Международной комиссией по развитию полупроводниковых приборов. Мы занимаемся разработкой высокоемких накопителей энергии заряда микронных размеров. Которые предлагаем и предполагаем, что будут использоваться в наноэлектронике будущего.
Когда наноэлектроника достигнет рубежа, когда начнут использовать очень низкие, глубокосубвольтовые напряжения, тогда возникнет масса проблем. Оно уже сейчас возникает: разного рода шумы. И для этого нужно использовать высокоемкие конденсаторы с тем, чтобы этот шум фильтровать, пропускать и так далее. Еще Мур писал в шестьдесят пятом году, что в области высокоемких конденсаторов есть фундаментальная проблема в микроэлектронике. Эта проблема не была решена микроэлектроникой. Если нужна какая-то емкость — ее навешивают на интегральную схему. Получается емкость, соизмеримая по размеру с интегральной схемой. В наноэлектронике эта проблема обостряется. Потому что напряжения упали, а запасаемая энергия пропорциональная квадрату напряжения. Мы с этой технологией можем помочь делать интегральные схемы с низкими значениями напряжений на питание.
Сергей Безносюк, Алтайский государственный университет, Барнаул:
Слову «нанотехнология» уже лет десять. Но все вызовы, которые были — остались. Эти вызовы состоят в том, что прежде чем развивать наноиндустрию, необходимо развивать начальные компоненты — нанонауки. За основание этих нанонаук и их законов должны быть разработаны принципы наноинжиниринга. Под инжинирингом понимается сборка целого из частей, то есть устройств. И уже на основе наноинжиниринга должна быть разработана нанотехнология, которая включает технологические режимы, как обычно для реального производства должны быть определенные «ноу-хау». Только после этого, когда у нас есть законы, есть правила сборки, ноу-хау, мы можем создавать наноиндустрию.
При этом надо понимать, что под наноиндустрией подчас считается микро- и субмикроиндустрия, то есть та, которая была разработана еще «при советской власти». Это вообще-то субмикроника — это порошки, их называют «нано», но на самом деле они субмикроскопические. Основной лимит или ресурс, который был выделен нанотехнологам, это тот лимит, который сейчас достигнут. Это области сверхмалых нанообъектов — 10 нанометров и ниже, вплоть до атома. Именно на этих объектах базируются биосистемы.
Мы знаем, что клетка это микрочастица, микронная частица, но основные функциональные элементы, из которых она состоит и благодаря которым она функционально является биологическим объектом, все они попадают в область 10 нанометров и ниже. Например, знаменитые тубулины, которые образуют цитоскелет — скелет клетки. Цитоскелет — это тот самый конструктивный элемент, у которого есть уже совершенно необычные свойства вести себя в коллективе: они могут самособираться, самоорганизоваться, они могут — на наше счастье — создать энергонасыщенные долгоживущие системы. Почему мы так долго живем? Мы же все неравновесные системы, но мы можем долго жить, каждый в масштабе своего времени, но они просто способны удерживать энергонасыщенное функциональное состояние достаточно долго, чтобы реализовать биофункции.
Главный вызов, который сейчас стоит перед нанотехнологиями, это развить нанонауки, наноинжиниринг, наноинституты и нанотехнологии в области так называемых биомиметических объектов, то есть объектов, которые по своим функциональным свойствам подобны биологическим, но это, конечно, не значит, что они работают на этих принципах. Что это за свойства? Это самособраться, самоорганизоваться, саморазмножиться и в результате быть адаптивными к среде, к обстоятельствам.
Марс, Юпитер, Луна — где угодно — нам туда не нужно, мы там не выживем. Там выживут эти объекты, которые будут биомиметическими, подражающими «био», будут работать на других функциях, на других режимах времени, но с теми же интеллектуальными возможностями, с ними можно вести даже процесс воспитания, как это ни смешно. Двенадцать лет тому назад я опубликовал статью о процессе обучения и воспитания наносистем. Тогда все восприняли ее как хохму, смеялись, но я имел в виду, что нанотехнолог будет обязан работать с «коллективом» — я имею в виду наночастиц — которые ему же подобны. Хитрые, — СПИД возьмите, — изворотливые, могут имитировать все что угодно. Я считаю, что это первая проблема.
А вторая проблема связана с тем, что нет кадров. Мы не подготовили пока никаких кадров, для того чтобы они ответили на этот вызов. Почему? Потому что это должны быть креативные личности, у которых когнитивные возможности совершенно другие, чем у существующих контингента учащихся. Почему другие? Я уже сказал — они работают с интеллектуальной средой, у которой ответ, реакция на воздействие может быть совершенно не та, что мы ожидали. Мы должны суметь ее перемудрить.
Вообще, частички, которые менее 10 нанометров абсолютно непонятно ведут себя с точки зрения мертвого объекта. Мы их должны признать живыми в определенном отношении, это биомиметические системы. Теоретическими и аналитическими компьютерными методами исследования мы показали, что у объектов в этом диапазоне есть средства «общения» между собой. Это обмен энергией, информацией (которая, кстати, появляется в этой области уже как важнейшая величина для взаимоотношений).
Эти объекты были предметом моего сообщения. Есть ли они на самом деле? Для этого нужно, чтобы экспериментаторы могли предложить соответствующий инструментарий. Это так называемые атто- и фемто-секундные импульсные, будем говорить, лазерные пучки, которые, к сожалению, в настоящее время не могут быть получены в ведущих лабораториях мира как раз по этой причине. Объясню на пальцах. Обычное оптическое излучение хорошо отражается или проходит через вещество, что-то абсорбируются и не проходит, но все понятно: такой-то диапазон отражается, такой-то проходит, такой-то «съели». В этом диапазоне ничего не понятно — он не отражается, он не проходит и к тому же он куда-то девается. То есть его энергия явно осталась в веществе, но она не пошла ни на его нагрев, ни на его воспламенение. Куда она пошла? Оказывается, она пошла на скрытые квантовые степени свободы, которые активируются именно на этих частотах. У этих биомиметических систем резонансными частотами, когда они родились, мы их создали, как бог сотворил, и они же потребили эту энергию — не отдают. Они между собой ее, так сказать, гоняют. Вы поняли, да? Мы хотим создать линзы, отражающие устройства, чтобы их же заставить себе подчиняться. В этом диапазоне они «едят» в любом материале, «едят» на свои нужды. Они там размножаются и фактически не выпускают этот пучок. Получается тупиковая ситуация.
Дело именно в том, что сейчас в этом диапазоне не могут ничего получить. Не работает схема, которая идет от Ньютона, от его работ в оптике — вся схема прохождения, отражения, поглощения не работает, она молчит в этом диапазоне. Такое впечатление, я скажу такую мистическую вещь, что физический мир так сконструирован, что в этой области лазить и управлять пальцами запрещено. Потому что сами пальцы в этот момент это то, чем надо управлять. То есть эта змея заглотила свой хвост, и мы попали в очень дикую ситуацию. Может, это тупиковый путь через электромагнитные воздействия, есть другие воздействия, но это вообще-то довольно странные вещи. Если нам удастся выбраться из этого тупика, то есть появится соответствующий инструментарий, мы, безусловно, начнем создавать из мертвого живое. То есть любая материя может быть переведена в состояние, похожее на живое. Она будет самособираться, она будет самоорганизовываться, будет адаптивной и интеллектуальной.
Александр Эрлих, Елена Панасенко