Сибирский ключ к управлению наносистемами

Наномеханика — очень молодая, но быстроразвивающаяся область физики. Новосибирские ученые научились манипулировать свойствами крошечных мембран — нанорезонаторов.

Изображение нанорезонатора, полученное с помощью электронного микроскопа, масштаб 1 микрон

Фото: Shevyrin et.al/APL, 2020

Наноразмерные системы формально принято ограничивать масштабом в 100 нанометров, на практике такие системы бывают как чуть больше, так и меньше. Интерес к наноразмерным объектам вызван многообразием проявляющихся в них квантовых эффектов.

Наномеханика плюс наноэлектроника

Готовый к измерениям экспериментальный образец. Фото предоставлено Андреем Шевыриным

Фото: Предоставлено Андреем Шевыриным

Примером открытия в наномеханике — оно сделано в 2009 году в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН — может служить применение одноэлектронного нанотранзистора, чувствительного к заряду единичных электронов, для детектирования сверхмалых механических перемещений и колебаний. Уникальность полученного транзистора в том, что детектирующий элемент и преобразователь механических колебаний в электрический сигнал были совмещены в одном приборе — наномеханика и одноэлектроника реализованы вместе.

Кроме малоразмерности структур для проявления квантовых эффектов необходимы также очень низкие температуры (порядка температур жидкого гелия, –270°C). Это обстоятельство представляется чуть ли не главным препятствием для массового развития таких технологий — в частности, для производства квантовых компьютеров. Однако в отличие от многих других научных направлений наномеханика — это наука, которую интересно изучать и при более высоких температурах.

Над созданием и исследованием новых свойств полупроводниковых наноструктур трудится все мировое сообщество специалистов этого направления. Рекордная подвижность электронов достигается в гетероструктурах из арсенида галлия (GaAs; соединение галлия и мышьяка) и арсенида алюминия-галлия (AlGaAs). В таких материалах эффекты квантования проявляются особенно ярко.

GaAs

Арсенид галлия GaAs — третий после кремния и германия материал по масштабам использования в полупроводниковой промышленности. Он применяется для создания сверхвысокочастотных интегральных схем и транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, диодов Ганна, туннельных диодов, фотоприемников и детекторов ядерных излучений. По физическим характеристикам GaAs — более хрупкий и менее теплопроводный материал, чем кремний. Подложки из арсенида галлия гораздо сложнее для изготовления и примерно впятеро дороже, чем кремниевые, что ограничивает применение этого материала.

Квантовая физика

В наносистемах существенны квантовые явления, которые не вписываются в законы классической физики. Чем ближе к размеру атома, чем меньше масштаб, тем менее привычными нам становятся свойства материи. Квантовая физика (ее принято называть квантовой механикой) описывает свойства атомов, ионов, молекул, электронов, фотонов, элементарных частиц… Квантовые явления с начала ХХ века вызывают живой интерес у физиков всего мира. Интерес не праздный: открытий в этой области много, а практических и перспективных приложений — еще больше. Более половины Нобелевских премий за последние 20 лет получены за открытия в области квантовой физики.

Нанофизика

За два дня до конца 1959 года один из великих физиков XX века, нобелевский лауреат Ричард Фейнман прочитал лекцию «Внизу полным-полно места» (There’s Plenty of Room at the Bottom), рассказав о фантастических перспективах изготовления материалов и устройств на атомном и молекулярном уровнях. Именно в этом смысле надо понимать слово «внизу». Многие свойства твердых тел меняются при уменьшении кристалла до размеров 10–20 нм и меньше. Таким образом, появляется возможность создавать новые материалы не путем изменения химического состава, а изменением размеров и формы составляющих систему частиц. Наиболее выдающиеся достижения в области нанотехнологий отмечены Нобелевскими премиями по физике: 1985 год — за открытие квантового эффекта Холла, 1986-й — за создание методов электронной и туннельной микроскопии высокого разрешения, 1998-й — за открытие дробного квантового эффекта Холла, 2000-й — за создание полупроводниковых гетероструктур (академику Жоресу Алферову), 2010-й — за новаторские эксперименты по исследованию двумерного материала графена, 2014-й — за изобретение эффективных синих светодиодов, благодаря которым мы сегодня имеем яркие энергосберегающие источники белого света…

Измеряя, не испортить

Полупроводниковых наноструктур за последние десятилетия научились делать множество разных типов. Новосибирские физики еще с советских времен специализируются на тонкопленочных гетероструктурах, полученных методом молекулярно-лучевой эпитаксии: вакуумным напылением арсенида галлия и дальнейшим легированием — вкраплением в структуру решетки полупроводника отдельных атомов, например кремния. Важно также отметить, что наноструктуры из арсенида галлия фоточувствительны, то есть изменяют электрические характеристики под воздействием светового излучения. Исследователи наноструктур во многих странах успешно используют это свойство для проведения измерений.

Сибирские ученые, в частности, выяснили, что под воздействием света меняются не только электрические, но и механические характеристики образца. То есть использование оптических методов, а их часто применяют, чтобы увидеть колебания крошечных нанорезонаторов, может смазать чистоту эксперимента. Вообще-то методов исследования в наномеханике множество, так что речь, безусловно, не идет о том, что существующие в мире эксперименты зашли в тупик. Но ученые должны иметь возможность учитывать эту информацию.

Однако этот же эффект может оказаться и, наоборот, полезным.

— Короткое воздействие света «выбивает» электроны из атомов кремния, которые служат в наших структурах необходимой легирующей примесью, источником электронов,— поясняет сотрудник лаборатории неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Шевырин.— Атомы кремния отдают свои электроны в проводящий слой. После этого сами атомы кремния, которые были изначально слегка смещены в решетке из-за большого количества электронов на ней, встают точно в узел кристаллической решетки. При этом меняются и электрические, и механические свойства нанорезонатора. А это означает, что с помощью подсветки мы получаем инструмент управления наносистемой, изменяя свойства легирующей примеси. Ведь, как оказалось, легирующая примесь определяет механическое поведение всей наносистемы.

С помощью наномеханических систем можно в перспективе даже измерить массу единичной молекулы. Созданием и изучением наномеханических резонаторов в мире занимаются несколько научных групп, одна из которых работает в новосибирском Академгородке — в Институте физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН. В частности, здесь изучают электрические и механические свойства подвешенных наноразмерных структур или мембран из арсенида галлия толщиной около 150 нанометров. Такие структуры получают из тончайших полупроводниковых пленок, внутри которых есть специально созданный проводящий слой, в котором электроны двигаются свободно. Этот слой физики называют двумерным электронным газом, хотя, разумеется, речь идет о твердотельном образце — никакого газа там нет.

Подвесить наномембрану и заставить ее дрожать

Сотрудники Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН Артур Погосов (справа) и Андрей Шевырин

Фото: Надежда Дмитриева

Полученные тонкопленочные мембраны становятся подвешенными после того, как под ними избирательно вытравливают химическим способом так называемый жертвенный слой из арсенида алюминия-галлия толщиной 400 нанометров. Это «селективное травление». Полученная наноструктура одной стороной остается соединенной с образцом, а остальной площадью словно повисает в воздухе, получая возможность колебаться. Таким образом, она становится нанорезонатором. Изучением электрических и механических характеристик таких нанорезонаторов занимаются ученые ИФП СО РАН под руководством главного научного сотрудника лаборатории неравновесных полупроводниковых систем, заведующего кафедрой общей физики НГУ доктора физико-математических наук Артура Погосова.

— До появления наномеханики существовала такая наука — мезоскопика,— рассказывает Артур Погосов.— По мезоскопике проводились международные научные конференции. В рамках этой области ученые наблюдали множество разных явлений, не присущих макроскопическим системам. Параллельно с мезоскопикой развивалось направление микромеханики. Микроскопические образцы были отделены от подложки и, следовательно, могли колебаться. Такие микросистемы используются, в частности, в смартфонах в качестве акселерометров для определения ориентации экрана, а также его колебаний (шагомеры). Микромеханика со временем сменилась наномеханикой.

Наносистемы сами по себе обладают необычными электрическими свойствами, а в сочетании с механическими свойствами они представляют собой еще более любопытные объекты для изучения.

Ведь самые интересные эффекты зачастую происходят именно на стыке научных областей. Практически в любой структуре, когда мы ее подвешиваем, обнаруживается что-то новое и интересное. Заслуга нашей лаборатории состоит в том, что мы совместили два направления — наномеханику и наноэлектронику. «Поженив» эти две области, получили удивительные результаты. Но еще удивительнее оказались эксперименты с подвешенными наноструктурами.

Масштабы

1 нанометр (нм) — это 10 в минус девятой степени метра. Характерный масштаб здесь определяется размером атома, а он находится в интервале 0,03 нм (гелий) — 0,3 нм (цезий). То есть в одном нанометре «вплотную» укладываются от трех до тридцати атомов. Молекулы больше, некоторые — значительно (крупные органические молекулы содержат десятки и сотни тысяч атомов).

Лучшая работа по версии APL

В начале этого года в журнале Applied Physics Letters вышла статья сотрудников ИФП СО РАН и Новосибирского университета, в которой ученые описали принципиально новый механический эффект, возникающий у подвешенной наноструктуры в результате воздействия на нее коротким световым импульсом обычной диодной лампочки.

Applied Physics Letters

Один из наиболее известных в мире журналов по прикладной физике. Издается в США (Американским институтом физики). Входит в первый, высший, квартиль (Q1) журналов соответствующего направления. Текущий импакт-фактор — 3,52.

Редакция журнала отметила работу сибирских ученых как одну из лучших среди материалов издания. Ученые обнаружили, что световой импульс увеличивает добротность нанорезонатора вдвое и повышает собственную частоту его колебаний. Причем эффект увеличения добротности проявляется не кратковременно. Характеристики меняются, можно сказать, необратимо, а точнее — до конца эксперимента. Физики называют этот эффект замороженным, поскольку «обнулить» изменения можно, только разморозив образец, то есть вынув его из установки, где он находится в темноте при температуре жидкого гелия.

Добротность

Добротность — параметр колебательной системы, вполне отвечающий своему названию. Математически добротность определяется как отношение энергии системы к ее потерям за время изменения фазы на 1 радиан. Чем выше добротность, тем меньше потери энергии за каждый период и тем медленнее затухают колебания.

— Фактически мы инкапсулировали нашу наноструктуру внутри резонатора, и к этой структуре есть возможность подсоединить электрические контакты для проведения всех измерений,— пояснил Артур Погосов.— Это позволит узнать как механические, так и электрические параметры образца. По сути, это означает, что вам больше не нужны сложнейшие измерительные приборы, чтобы зарегистрировать изменения его состояния. В будущем можно собирать из подобных подвешенных систем микросхемы. Когда Андрею (Шевырину.— «Ъ-Наука») удалось подвесить одноэлектронный транзистор, выяснилось, что такое подвешивание может дать шанс его применения при комнатной температуре.

Нанорезонатор обладает собственной частотой колебаний, которую называют резонансной. Она меняется под действием внешних сил, и это можно измерить. Также нанорезонаторы способны преобразовать энергию колебаний в оптический сигнал или «уловить» появление новых молекул в исследуемой среде. Соответственно, они могут использоваться как сенсоры для распознавания крайне малых количеств вещества. Чувствительность таких сенсоров напрямую зависит от числа свободных колебаний резонатора, которые он совершает до их затухания. Этот параметр называется добротностью. Чем быстрее колебания затухают, тем ниже чувствительность сенсора. Следовательно, увеличение добротности — это не просто новое слово для наномеханики, но и перспектива прикладных применений нового эффекта.