Егор Седов, студент магистратуры и соавтор статьи в журнале Nature - о квантовом размерном эффекте и своем участии в эксперименте
Наш университет уже сообщал, что учеными МИЭМа и Наноцентра университета Ювяскуля (Финляндия) был проведено исследование, демонстрирующее квантовый размерный эффект в металлическом нанопроводе. Участником эксперимента стал студент магистратуры Егор Седов и сегодня – наш разговор с ним.
Егор, существует ли русскоязычная версия статьи? Может быть, она где-то опубликована?
Точь-в-точь нет, однако, очень похожая работа будет опубликована в сборнике работ победителей НИРСа.
Публикация в Nature - это статусно и, что важно, говорит об актуальности. В чем эта актуальность?
В исследовании фундаментальной проблемы, назревшей в производстве электронных компонентов. Мы привыкли к тому, что процессоры с каждым годом становятся все меньше и меньше, но вместе с тем, производительнее. Однако всё больше специалистов, занимающихся разработкой и производством электронных компонентов, а также представителей ученого сообщества, склоняются к тому, что в ближайшее время (как правило, даётся прогноз на промежуток с 2018 по 2022 годы) будет достигнут потолок в миниатюризации этих самых компонентов. На это есть несколько причин, но мы поговорим о фундаментальной проблеме в этой теме. А именно, о проявлении новых физических эффектов в объектах сверхмалых размеров. То есть если вы возьмёте металлический провод привычного нам размера, то он будет проводником. Уменьшаясь же до определённого диаметра, он не просто превращается в диэлектрик, но и демонстрирует немонотонное увеличение сопротивления. Исследование этого эффекта и было положено в основу нашей статьи.
А какие еще есть причины, не фундаментальные, из-за которых невозможно и дальше уменьшать размеры компонентов?
Растущее тепловыделение, электрический пробой в слоях диэлектрика таких элементов как конденсаторы или транзисторы, то есть слой диэлектрика становится настолько малым, что появляется возможность протекания сквозь него электрического тока.
Чем достижение такого предела грозит в практической плоскости? Только тем, что дальше будет невозможно уменьшать телефоны и прочие гаджеты? Или есть более существенные опасности?
Производители электронных компонентов пока ещё осваивают всё меньшие масштабы, но в конце концов уменьшать уже будет некуда. Представить себе устройство, работающее на паре атомов, очень сложно – по крайней мере, мне. Наступит ли конец техническому прогрессу? Конечно, нет. Напротив, сейчас ведётся очень много исследований и разработок, которые не стараются обойти эти возникшие ограничения, а наоборот использовать их во благо науки. Посмотрите, сколько учёных бьётся над созданием квантового компьютера. Который как раз и работает на всяких квантовых эффектах. И я знаю, что и у нас в институте есть люди, которые занимаются данной проблемой. Недавно даже японский учёный Кавабата приезжал с лекцией. Кстати, уже есть компания, которая производит квантовые компьютеры. Конечно, ходит много споров о том, можно ли считать их квантовыми или нет, а по размерам они вообще скорее из прошлого века. Но, тем не менее, первые обычные компьютеры тоже были размером с пару больших комнат, и посмотрите, что сейчас. Так что думаю, что к тому времени, когда производители действительно достигнут потолка в миниатюризации, на сцену выйдут уже новые устройства, которые при тех же масштабах будут выдавать гораздо большие мощности. Люди всегда что-то придумывают. Но лично мне кажется, что революция в технике грянет как гром, а не будет постепенно развиваться - это было бы гораздо интереснее не только наблюдать, но и быть участником такого развития событий.
Кроме того, некоторые проблемы, такие как, например, рост тепла, решаются использованием сверхпроводниковых структур. И в некоторых странах есть проекты по созданию суперкомпьютеров с применением данных технологий. Но мне кажется, что в массовое производство эта идея не пойдет.
Почему?
Представьте, как у вас под ногами стоит не системный блок, а целый холодильник. Это не практично, как мне кажется.
Вернемся к вашей работе - про эти самые новые физические эффекты, описанные в статье. Расскажите об этом подробнее.
Вообще квантово-размерный эффект есть изменение привычных нам свойств вещества. Не только сопротивления, которое исследовалось в нашей работе, но и других различных характеристик, таких как теплопроводность, оптические свойства и т. д. Это связано с квантованием энергии носителя заряда. И наблюдать данные эффекты можно только в маленьких объектах. Попробую объяснить на пальцах: носителем заряда является как правило электрон и чёткое его положение определить невозможно, однако мы знаем вероятность его нахождения в определённой области. Эта вероятность описывается волной, а у каждой волны есть своя длина. И если мы изготовим проводник, размеры которого будут сравнимы с длиной этой волны, произойдёт качественное изменение свойств электрона. В таком случае говорят о квантовании энергетических уровней, то есть расщеплении единого на четко определённые уровни. Кроме этого, есть так называемый уровень Ферми, который отделяет заполненные энергетические состояния от незаполненных. Так вот, при уменьшении размеров тела энергетические уровни начинают сдвигаться относительно этого порогового, и в момент, когда последний заполненый уровень пересекает уровень Ферми, образец становится диэлектриком. Это и есть суть квантового размерного эффекта в нашем случае.
А вот картинка из нашей работы, Схематичное представление энергетического спектра висмута. Сплошные линии соответствуют массивному объекту, а пунктирные линии отражают дискретность энергетического спектра с учетом квантового размерного эффекта.
То есть, как раз показано пересечение этого уровня Ферми
Данный эффект мы и исследуем в нашей работе. Основной проблемой было изготовление наноструктур для исследования. В качестве испытуемых были выбраны нанопровода, так как провод является основой любой электрической цепи. Кроме этого ещё исследовалась тонкая плёнка, но больше для примера. Есть несколько методов изучения квантовых размерных эффектов (КРЭ). Первый - это когда последовательно уменьшается один и тот же образец; второй - когда используют несколько образцов разного размера. Нами был выбран первый, так как он больше отвечает реальным условиям. И основной проблемой при этом стала задача уменьшить структуру так, чтобы не повредить ее изнутри. Уменьшались размеры ионной пушкой, то есть её обстреливали атомами, тем самым "стачивая" поверхность. Этой задачей как раз занимался мой коллега из Финляндии. В результате было найдено решение, при котором шероховатость поверхности составляла примерно 1 нанометр (при этом самый маленький диаметр провода составлял около 50 нм). Сами образцы изготавливались при использовании достаточно стандартного процесса электроннолучевой литографии и направленного вакуумного напыления. После изготовления образцов и тщательной их проверки лучшие отбирались для измерений. Затем повторялся цикл ионного травления и измерений до того момента, когда структура выходила из строя. Минимальный диаметр структуры, который удалось получить, равен примерно 40 нм, стартовый диаметр - порядка 300 нм. Вот вам картинка из нашей работы, на ней хорошо видно, что поверхность образца достаточно гладкая.
Егор, к каким выводам вы пришли?
Главным результатом работы стало то, что нам удалось показать этот заветный переход нанопровода из металла в диэлектрик. В более ранних работах такой результат был достигнут на тонких плёнках, также были попытки сделать это и в нанопроводах, но не слишком успешные. Так что можно сказать, что наша работа - одна из первых, в которой продемонстрирован квантовый размерный эффект в нанопроводе.
Наверно, чисто практической значимости в этой работе не так много. Я не уверен, что на данный момент висмут используют в электронных устройствах. Но этот эффект проявляется не только в висмуте, но и в любых других металлах, поэтому он является универсальным и с ним необходимо будет считаться в устройствах нового поколения сверхмалых размеров. Висмут был выбран потому что в нём достаточно хорошо можно показать этот эффект, так как он проявляется в бо́льших масштабах, нежели в каких-то других металлах.
Как строилась работа? И чем занимались персонально вы?
Руководителем и инициатором проекта был мой научный руководитель профессор Константин Юрьевич Арутюнов (департамент электронной инженерии). Он инициировал проект, разработал держатель образцов переменной температуры в вакуумной камере, построил измерительную установку, участвовал в транспортных измерениях, предложил интерпретацию результатов и написал текст. Его студент из Финляндии Кари-Пекка занимался изготовлением и анализом структур. Сам эксперимент был проведен раньше, оставалось сделать теоретический расчет, что и было мне предложено, когда я поступил в магистратуру.
Моей задачей стало сопоставление экспериментальных данных с теоретической моделью. То есть, необходимо было определить, насколько точно эксперимент сходится с теорией и сходится ли вообще. Для этого необходимо было построить теоретические кривые и в рамках погрешности измерений найти параметры, которые максимально отвечали бы полученным данным. В итоге теоретические кривые были построены для нескольких образцов, но в статью вошёл только наиболее типичный и удачный случай. Кроме него есть ещё трёхмерный график, который дался мне тяжелее, чем графики сопротивления. Это смешно, но я потратил много дней, прежде чем нашёл ошибку в расчетной программе. Графики сопротивлений мне дались уже гораздо легче, но заняли также немало времени из-за подсчёта множества различных значений и вариантов, перед тем как мы нашли то, что действительно соответствовало эксперименту.
Как происходит взаимодействие с редакцией журнала Nature до публикации?
До конца эту систему не знаю, в основном с журналом общался Константин Юрьевич. Знаю только немного про систему отбора. Сначала статью просматривает редактор, потом он отправляет рецензентам, это специалисты в рассматриваемой области. Если они одобряют, то статью печатают. Как правило, с первого захода не одобряют - придираются, находя различные недочеты. Приходится что-то исправлять в тексте, пределывать рисунки и отсылать назад редактору. Чем выше рейтинг журнала, тем тяжелее отбор и тем больше рецензентов. Насколько я знаю, в «обычных» журналах назначают одного - максимум двух рецензентов. В нашем случае их было четыре.
Когда мы всё доделали, Константин Юрьевич сказал, что это серьёзный результат и что статью мы пошлём в Nature. Редактура самой статьи проводилась не мной, на уровне журнала я не знаю, как всё устроено. А вот графики я очень долго согласовывал с Константином Юрьевичем - вплоть до шрифтов, цветов, толщины линий и прочего.
Егор, чувствуете себя настоящим ученым?
Ощущение есть, но до настоящего учёного мне ещё учиться и учиться.
Материал подготовил Олег Мыслюк