Специалисты известного института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН ведут активные исследования в области тонких кристаллических пленок. Здесь ученые активно изучают технологические аспекты их создания, методы диагностики, а также процедуры по улучшению эксплуатационных характеристик. Важно подчеркнуть, что все поверхностные свойства этих очень тонких пленок являются определяющими для параметров перспективной квантовой электроники. В частности, ученые института изучают свойства пироэлектриков на основе соединений ниобата бария-стронция, пригодных для производства инфракрасных фотоприемников, а также ферромагнетиков, используемых для создания эффективных детекторов спина электронов. Выращивание исследуемых соединений осуществляется методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Анализ полученных материалов проводится с применением атомно-силового микроскопа отечественного производства, приобретенного в рамках реализации крупного научного проекта «Квантовые структуры для посткремниевой электроники», получившего поддержку Министерства науки и высшего образования РФ.

О возможностях прибора для быстрой оценки качества атомно-гладких поверхностей, химического состава, исследования крошечных магнитных доменов рассказал заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Олег Евгеньевич Терещенко.

«Многофунциональный атомно-силовой микроскоп позволяет выполнять более сорока разных методик измерений, работать не только с твердыми материалами, но и с мягкими, в жидкой, воздушной среде. Мы планируем использовать прибор для решения технологических и исследовательских задач.

Первый тип деятельности подразумевает быстрый постростовой контроль качества полупроводниковых структур. В ИФП СО РАН работает несколько лабораторий, которые выращивают новые полупроводниковые материалы методом молекулярно-лучевой эпитаксии. После роста важно оценить степень гладкости поверхности для внесения корректировок или, наоборот, сохранения успешных решений технологического процесса. Один из лучших способов проверки на атомном уровне — атомно-силовая микроскопия: разрешение по вертикали составляет один ангстрем, латерально (по площади образца) — до нескольких нанометров. Кроме того, микроскоп позволяет измерять контактную разность потенциалов, по которой можно определить границы разных материалов, их неоднородности, а также электрофизические характеристики.

Другие типы задач, которые можно решить, используя новый микроскоп, — научные. В частности, в лаборатории физики и технологии гетероструктур ИФП СО РАН мы ведем исследования пироэлектрических соединений. На их основе можно сделать неохлаждаемые фотоприемники в инфракрасном диапазоне. Атомно-силовой микроскоп позволяет оценить ключевые характеристики соединений: пироэлектрический и пьезоэлектрический отклик, контактную разность потенциалов, морфологию поверхности», — пояснил ученый.

Пироэлектрики — кристаллические вещества, обладающие спонтанной поляризацией, на поверхности которых возникает электрический заряд при изменении температуры. Поэтому пироэлектрики интересны для создания детекторов теплового излучения, которые могут работать во всем инфракрасном диапазоне и даже в терагерцовом. Детекторы терагерцового излучения могут использоваться для новых систем связи (6G, 7G) для медицинских применений, неразрушающего контроля качества материалов, досмотровых систем безопасности.

У ферромагнетиков, как и у сегнетоэлектриков (пироэлектриков), есть общее свойство, связанное с образованием доменной структуры. Сегнетоэлектрики обладают собственным электрическим полем — так называемой спонтанной поляризацией, а ферромагнетики — спонтанной намагниченностью. Тонкие пленки (нано-мембраны) ферромагнетиков перспективны для создания поляризованных электронов, управления и регистрации спина электронов, а значит, и для разработки спинтронных устройств.

«Мы напыляем на диэлектрик тонкие пленки ферромагнитных материалов — чередующиеся субнанометровые слои кобальта и платины, и с помощью атомно-силового микроскопа исследуем их магнитную структуру. Смотрим, как ориентированы магнитные домены. Для наших применений нужна однородная намагниченность: параллельно или перпендикулярно поверхности — магнитные домены на всей поверхности образца ориентированы одинаково и в нужном нам направлении.

Кроме того, в этих ферромагнетиках возникают интересные квазичастицы — скирмионы. Скирмионы, упрощенно говоря, —  топологически устойчивые магнитные вихри нанометрового размера. Они интересуют ученых, как потенциальные кандидаты для создания новых типов компьютерной памяти, кубитов для квантового компьютера. Обнаружить скирмионы можно, измеряя намагниченность, опять же с помощью атомно-силового микроскопа», — добавил Олег Терещенко.

Ученый подчеркнул, что микроскоп будет функционировать в режиме коллективного пользования, участники крупного проекта, сотрудники ИФП СО РАН смогут работать на нем: «Конечно, желающим работать с оборудованием, нужно будет пройти инструктаж, “курс молодого бойца”, так прибор будет полезен максимальному количеству специалистов».

Многофункциональный атомно-силовой микроскоп Ntegra Prima произведен российской компанией ООО «НОВА СПб».

Для любознательных: Архитекторы наномира: как кристаллические пленки меняют технологии будущего

Представьте себе материал толщиной всего в несколько атомов, который может проводить ток быстрее любого провода, превращать солнечный свет в чистую энергию или служить основой для квантового компьютера. Это не фантастика, а будни ученых, работающих с кристаллическими пленками (тонкопленочными материалами).

Сегодня мировые лаборатории ведут настоящую технологическую гонку в этой области. Разберемся, зачем нужны эти невидимые глазу структуры и какие прорывы происходят на мировой арене.

Что такое кристаллические пленки?

Кристаллическая пленка — это слой материала толщиной от долей нанометра до нескольких микрометров, выращенный на специальной подложке. В отличие от обычных материалов, атомы в таких пленках строго упорядочены в идеальную кристаллическую решетку.

Из-за экстремальной тонкости в них начинают проявляться квантовые эффекты. Материалы приобретают уникальные оптические, магнитные и электрические свойства, которыми не обладают их объемные аналоги.

Зачем их исследуют и где применяют?

Современная наука развивает несколько ключевых направлений применения тонких пленок:

• Микроэлектроника и чипы: Кремний практически исчерпал свой физический предел. Пленки нового поколения позволяют создавать транзисторы атомной толщины. Это сделает процессоры быстрее, меньше и энергоэффективнее.
• Зеленая энергетика: Перовскитные кристаллические пленки совершают революцию в солнечной энергетике. Они дешевле кремния, гибки и могут наноситься как краска на любые поверхности (окна, стены, крыши авто).
• Гибкая и прозрачная электроника: Сверхтонкие пленки оксидов и углерода позволяют создавать сворачивающиеся дисплеи, “умную” одежду и прозрачные экраны на лобовых стеклах.
• Сенсоры и биомедицина: Пленки высокой чистоты используются в качестве высокочувствительных датчиков газов, токсинов или биомаркеров в крови.
• Квантовые технологии: Тончайшие слои сверхпроводников служат основой для создания кубитов — строительных блоков квантовых компьютеров.

Какие пленки исследуют в мире? Главные тренды

Мировая наука сфокусирована на нескольких классах кристаллических материалов:

Двумерные (2D) кристаллы

• Пример: Графен, дихалькогениды переходных металлов (MoS₂, WS₂).
• Зачем: Обладают невероятной подвижностью электронов. Лидеры исследований (США, Китай, ЕС) создают на их основе транзисторы post-silicon (послекремниевой) эпохи.

Структуры на основе перовскитов

• Пример: Галогенидные перовскиты.
• Зачем: Это главная надежда фотовольтаики. Крупнейшие лаборатории в Азии и Европе бьются над повышением стабильности этих пленок, чтобы запустить их в массовое производство солнечных панелей.

Эпитаксиальные оксидные пленки

• Пример: Титанат бария, ферриты.
• Зачем: Они обладают сегнетоэлектрическими и магнитными свойствами. Их исследуют для создания энергонезависимой памяти нового типа (FeRAM), которая не теряет данные при выключении питания и работает мгновенно.

Широкозонные полупроводники

• Пример: Нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC).
• Зачем: Незаменимы для силовой электроники, 5G/6G связи и электромобилей. Позволяют устройствам работать при экстремальных температурах и высоких напряжениях.

Как их создают?

Вырастить идеальный кристалл толщиной в один атом — сложнейшая инженерная задача. Ученые используют передовые методы:

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ): Напыление материала атом за атомом в условиях глубокого космического вакуума. Это как сборка конструктора LEGO на атомном уровне.
• Атомно-слоевое осаждение (ALD): Химический метод, позволяющий равномерно покрывать пленкой структуры любой сложной формы.

Заключение

Исследования кристаллических пленок — это фундамент, на котором строится техника XXI века. Тот, кто научится быстрее и дешевле синтезировать идеальные атомные слои, будет определять облик будущей индустрии: от искусственного интеллекта до покорения космоса. Наука подошла к моменту, когда толщина материала больше не имеет значения — значение имеет то, как мы управляем его атомами.

Информация предоставлена пресс-службой ИФП СО РАН

Автор: Марианна Еркнапешян
Источник: https://scientificrussia.ru/