Новое направление подготовки «Нанотехнология»

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ

Ж. АЛФЕРОВ, академик РАН Ю.ТАИРОВ, профессор С. -Петербургский государственный электротехнический университет

Вопрос о содержании и качестве образования занимает не последнее место в ряду дискуссий о путях выхода экономики России на передовые позиции в мире, соответствующие ее значительному научно-техническому потенциалу. Существующий на сегодняшний день набор направлений подготовки специалистов во многом отражает структуру научно-технической сферы, сложившуюся в результате революционных достижений науки середины прошлого века. Между тем накопление новых результатов НТП приводит к качественным изменениям в технике и технологиях, которые требуют соответствующего обеспечения со стороны системы подготовки кадров. Успех развития приоритетных направлений науки и техники, критических технологий федерального уровня в значительной мере обусловлен качеством подготовки научно-технических кадров, отвечающих современным требованиям. Для ее реализации в условиях ограниченности ресурсов высшей школе необходимо концентрировать усилия на таких стратегических направлениях, которые имеют особенно важное государственное значение, направлены на ускоренное развитие российской экономики, обеспечение национальной безопасности не только на ближайшие годы, а на десятилетия. К числу таких

НОВОЕ

НАПРАВЛЕНИЕ ПОДГОТОВКИ -«НАНОТЕХНОЛОГИЯ»

направлений, безусловно, относится нанотехнология (НТ) - новое междисциплинарное научно-техническое направление, сформировавшееся на стыке физики, химии, биологии, техники, медицины, материаловедения.

Развитию нанотехнологии придается огромное значение во всех индустриально-развитых странах (более 100000 тысяч ссылок в Интернете только на университетские центры по НТ). По мнению большинства экспертов во всем мире, НТ будет служить главным движущим фактором научно-технического развития цивилизации в XXI веке. В декабре 2003 президент Буш подписал Национальную программу по нано-технологии. На период с 2005 по 2008 годы объем государственного финансирования работ в этой области определен в 3,7 млрд. дол. США. При этом общий объем финансирования работ по нанотехнологии в 2003 году в мире достиг 2,984 млрд. дол. (США - 774 млн., Зап. Европа - 600, Япония - 810), что составило 690% от уровня финансирования 1997 года. Значительный объем инвестиций данные исследования получают и от бизнеса (по оценкам - примерно равный государственному финансированию). При этом, если бизнес ориентируется в основном на проекты с коротким сроком окупаемости, то государство осуществляет поддержку

фундаментальных разработок, обеспечивающих перспективы развития.

Существует достаточно много определений НТ, ядром которых служит «возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, в которых, по крайней мере, один из размеров лежит в области 1100 нанометров» (1нм = 10-9м = 10 анг-стрем=10-3микр>он; диаметр человеческого волоса - порядка 80000 нм, размер красных кровяных телец - 20003000 нм). Этот диапазон размеров представляет собой промежуточную область между миром отдельных атомов и молекул и микроструктурами, получаемыми современными методами микроэлектроники.

Все колоссальное многообразие свойств материалов имеет в своей основе конечный набор атомов. Традиционная химия как раз и занимается исследованием возможностей получения различных веществ на основе различных способов соединения атомов в элементарную повторяющуюся структуру (элементарную ячейку), состав которой соответствует химической формуле вещества. Типичный характерный размер элементарной ячейки в различных веществах составляет от долей нанометра в материалах, состоящих из атомов одного сорта, до нескольких нанометров в сложных соединениях. При этом набор атомов, образующий химическую формулу, представляет собой элементарный строительный блок вещества.

Под наноматериалом понимают вещество, строительные блоки которого (наноструктуры) имеют размер от единиц до сотен нанометров и могут быть образованы не только из отдельных атомов, но и из химических соединений. Часто понятия «наноматериал» и «наноструктура» употребляют как синонимы. Примером наноструктур могут служить полупроводниковые гетерострук-

туры, представляющие собой чередование нескольких слоев одного материала, например арсенида галлия ^яАб), и нескольких слоев другого материала, например арсенида алюминия (А1Аб). Другой пример - углеродные нанотруб-ки, представляющие собой реальные трубки диаметром 1-2 нм, со стенками толщиной от одного до нескольких монослоев углерода и длиной до нескольких сантиметров, обладающие целым рядом уникальных химических, механических и электрических свойств.

Опыт показывает, что путем создания наноструктур можно изменять такие фундаментальные свойства материала, как цвет, проводимость, температура плавления, твердость, механическая и химическая стойкость, - без изменения химического состава. Свойства наноструктур определяются характером упорядочения атомов на относительно большом масштабе. Поэтому в нанообласти скрыты богатейшие возможности по формированию широкого разнообразия свойств материалов, состоящих из одних и тех же компонентов, но различающихся характером упорядочения.

Для понимания свойств наноструктур и закономерностей их формирования чрезвычайно важно, что область наноразмеров - это область действия законов квантовой механики. Поэтому свойства приборов на основе наноструктур могут существенно отличаться от свойств традиционных приборов и устройств микроэлектроники, функционирующих на основе классических принципов. При этом на квантовом уровне возникают принципиально новые возможности по сравнению с классическими системами, например возможность реализации квантовых алгоритмов вычислений и создания квантового компьютера, способного решать задачи, в принципе неразрешимые на обычном классическом компьютере.

В качестве своей предельной задачи НТ имеет создание самовоспроизводящихся наносистем и наноустройств, наделенных развитым компьютерным интеллектом, способных выполнять механические действия и проводить физико-химический анализ и модификацию окружающей среды. По существу человек вступает в соревнование с природой в стремлении получить контроль над микроскопическими процессами и структурами, составляющими фундаментальную основу материального мира.

Возникновение НТ представляет собой естественный результат двух направленных навстречу друг другу стратегий предметной человеческой деятельности: процесса миниатюризации, наиболее явно выраженной в современном развитии микроэлектроники, осваивающей рубеж 0.1-микронного размера элементов микросхем (в НТ такой путь называют еще «up-bottom» - «сверху-вниз» подходом), и процесса усложнения молекулярной структуры при химическом синтезе, который привел к созданию методов атомной и молекулярной сборки («bottom-up» -«снизу-вверх» подход). При движении «сверху-вниз» человек работает как скульптор, формируя наноструктуру из имеющегося материала. Функцию резца при этом может выполнять наноли-тография, представляющая собой развитие основного метода микроэлектроники - фотолитографии - в область нанометровых размеров. При движении «снизу-вверх» инженер или ученый выступают в качестве строителя, собирающего наноструктуры из отдельных кирпичиков, роль которых играют атомы и молекулы.

Нанотехнология оказывает значительное влияние на различные области науки и техники, опирается на фундаментальные достижения в этих областях и обещает яркие перспективы развития и достижения.

В настоящее время НТ включает в себя следующие основные разделы:

• нанотехнология в электронике,

• наноматериалы,

• нанотехнология в биологии и медицине.

Общим для всех этих направлений является единый и вместе с тем принципиально новый квантово-механи-ческий характер процессов и явлений, происходящих в нанообласти, а также универсальная технологическая и метрологическая база.

К наиболее развитым на сегодняшний день методам НТ относятся различные способы эпитаксии (рост одного кристалла на поверхности другого), в первую очередь - молекулярно-луче-вая эпитаксия, сканирующие зондовые технологии на основе сканирующих зондовых микроскопов, изобретенных лауреатами Нобелевской премии Бин-нингом и Рорером, и методы самоорганизации, в которых формирование наноструктуры происходит в результате существенно нелинейных физико-химических процессов перераспределения вещества в объеме или на поверхности.

Развитие НТ уже привело к появлению ряда практических результатов принципиальной важности. Использование полупроводниковых гетеро-структур позволило создать эффективные лазеры и светоизлучающие диоды, работающие при комнатных температурах. Гетероструктуры значительно улучшают характеристики транзисторов и интегральных схем на их основе, делая их более быстрыми, мощными или же, в случае необходимости, напротив, снижая энергопотребление по сравнению с традиционными кремниевыми схемами. Полупроводниковые светоизлучающие элементы и гетеро-транзисторы составляют основу современных информационных техноло-

гий, и за их разработку в 2000 г. Ж.Алферову и Г.Кремеру была присуждена Нобелевская премия по физике. Лазеры, светодиоды, полупроводниковые гетеротранзисторы работают в огромном количестве устройств и систем -от проигрывателей компакт-дисков до радиолокаторов и Интернет-сетей, без которых невозможно представить современную жизнь. Совсем недавний пример внедрения НТ - создание устройств долговременного хранения информации (компьютерных «жестких дисков» или «винчестеров») на основе эффекта гигантского магнитосопро-тивления (ГМС), что позволило на три и более порядков повысить емкость компьютерной долговременной памяти при уменьшении габаритов и цены. Такого эффекта удалось достичь благодаря использованию в качестве маг-ниточувствительного элемента сверхкомпактной наноструктуры, состоящей из двух намагниченных слоев, общее электрическое сопротивление которой зависит от взаимной ориентации магнитных моментов в слоях. Фирма IBM, которая первой освоила новую технологию, только в 2003 году получила более 20 млрд. дол. США дохода от продажи компьютерных жестких дисков. В настоящее время ведущие мировые производители интегральных схем ведут активные работы по созданию быстрой (оперативной) энергонезависимой памяти на эффекте ГМС. Но уже разработаны прототипы молекулярных систем хранения информации, плотность записи данных в которых на два порядка превышает емкость памяти на основе эффекта ГМС.

Диапазон возможных применений НТ очень широк. На основе нанострук-турированных материалов получены разнообразные износостойкие покрытия, существенно продлевающие срок службы изделий. Подобные покрытия можно использовать как при изготов-

лении медицинских инструментов, так и автомобильных шин. Созданы нано-структурированные сверхпрочные и износостойкие ткани, нано-электро-механические сенсоры способные регистрировать единичные молекулы отравляющих веществ, мономолекулярные фильтры, осуществляющие эффективную очистку и опреснение воды, высокоэффективные экологичные преобразователи энергии. Уменьшение размера частиц до нанометрового существенно повысило эффективность катализаторов в нефтеперегонной промышленности. На очереди - нано-детекторы раковых клеток, средства доставки лекарства к очагам заболеваний, системы сверхплотной записи информации. Широкое внедрение фильтров на основе наноструктурирован-ных материалов в нефтеперерабатывающей и металлургической промышленности позволит значительно улучшить экологическую обстановку в промышленных зонах.

Важную роль играют наноструктуры в исследовании фундаментальных свойств вещества, в первую очередь, систем с пониженной размерностью. Именно при исследовании квантового эффекта Холла в полупроводниковых гетероструктурах были открыты новые необычные квазичастицы (частицы, существующие только в веществе) с дробным зарядом.

Для использования потенциальных возможностей НТ во всем мире ставится задача объединения усилий различных исследовательских организаций путем создания так называемых сетей («networks»), представляющих собой, по сути, долгосрочные комплексные проекты с участием ведущих учебно-научных центров. Обсуждается необходимость перестройки системы образования в направлении обеспечения единства различных подходов в объяс-

нении окружающего мира, отражающего реальную междисциплинарную природу НТ. Особое внимание уделяется социальным аспектам развития НТ, исследованию возможных нежелательных последствий внедрения новых технологий, формированию профессиональных этических норм, воспитанию чувства социальной ответственности ученых и инженеров. Решение этих задач видится на пути вовлечения в работы, так или иначе связанные с НТ, как можно большего числа студентов (к 2005 году в США планируется обеспечить предложение учебных курсов и участие в исследовательских работах, связанных с НТ, до 50% студентов в четверти исследовательских университетов).

Россия входит в число стран и регионов, признанных мировым научным сообществом в качестве центров развития НТ. Широко известны упоминавшиеся выше работы российских ученых в области физики и технологии полупроводниковых гетероструктур, в области компьютерного моделирования и теории физических процессов в системах с пониженной размерностью, одноэлектронике, в создании устройств сканирующей зондовой микроскопии и нанолитографии. Активное участие в исследованиях по НТ дает шанс реализации значительного интеллектуального потенциала в области практического использования результатов научных разработок и смены вектора экономического развития с сырьевого на высокотехнологический. Учитывая высокую прикладную значимость данных работ и их роль в обеспечении безопасности страны, форсирование работ по нанотехнологии в России представляется неизбежным.

Перспективы отечественных разработок во многом будут определяться способностью высшей школы организовать подготовку специалистов по

новому направлению. Важным шагом на этом пути стало решение Министерства образования Российской Федерации, оформленное приказом № 2398 от 04.06.2003, об открытии в России нового направления подготовки дипломированных специалистов - «Нанотехно-логия». Новое направление закреплено за Учебно-методическим объединением по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации при Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете («ЛЭТИ»). В рамках этого направления образованы специальности «На-нотехнология в электронике», базовым вузом определен Московский государственный институт электронной техники (Технический университет) (МИЭТ), и «Наноматериалы», с базовым вузом - Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС).

В СПбГЭТУ «ЛЭТИ» важнейшим фактором в становлении подготовки специалистов в области нанотехноло-гии является научно-педагогическая школа академика Ж.И. Алферова, которая фактически с 1997г. (в рамках программы магистерской подготовки на кафедре оптоэлектроники) реализует обучение студентов и их эффективную научно-исследовательскую работу в области синтеза и применения систем низкой размерности. На выпускающих кафедрах факультета электроники «ЛЭТИ» многие годы выполняются научные исследования по следующим направлениям.

1.Наноматериалы: искусственные сверхрешетки соединений А3В5 и твердых растворов на их основе; композиции сверхрешеток соединений А4В4, А3В5; нанопористые композиции; фул-лерены и углеродные нанотрубки.

2. Нанотехнологии: молекулярно-лучевая эпитаксия гетероструктур со-

единений А3В5; золь-гель технология на основе гидролизованного тетраэток-сисилана; модифицированная технология Ленгмюра-Блоджетт аналогов фосфолипидов - молекулярная эпитак-сия органических веществ; вакуумно-дуговой синтез фуллеренов и нанотру-бок; циклический ионно-плазменный синтез нанокристаллического кремния и нанослоевых композиций.

3. Нанодиагностика: электронно-дифракционные методы исследований нанослоевых композиций (метод функции атомного распределения); высокоразрешающая атомно-силовая диагностика с использованием АШ-зон-дов; оптическая диагностика квантово-размерных систем; эллипсометричес-кий контроль нанослоевых композиций и переходных слоев; DLTS и спектроскопия проводимости квантовых точек; микро- и наноаналитические системы на основе капиллярного электрофореза для анализа белков и нуклеиновых кислот.

4. Наносистемотехника: теория кинетических фазовых превращений при матричном синтезе естественных сверхрешеток; теория генетического топологического кодирования биополимеров; теоретические основы функциональной электроники на самоорганизующихся средах.

Московский государственный институт электронной техники на базе всестороннего сотрудничества с ведущими институтами РАН и фирмами, работающими в области высоких технологий, ведет широкий спектр работ в области НТ. В учебном и научном процессе активно используются возможности Научно-образовательного центра «Квантовые приборы и нано-технологии» (создан совместно с Физическим институтом им. П.Н.Лебедева РАН), Учебно-научного центра «Перспективные технологии и устройства микро-, опто-, наноэлектроники и

вычислительной техники» (совместно с Физико-технологическим институтом РАН, Институтом общей физики РАН и Институтом проблем информатики РАН), Учебно-научного центра «Зон-довая микроскопия и нанотехнология» (совместно с фирмой НТМДТ), Учебно-научного центра «Наноматериалы» (совместно с ФГУП ГНЦ «НИИФП им. Лукина»).

В МИЭТ отработана технология мо-лекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых гетероструктур на базе соединений А3В5, разработан оригинальный технологический маршрут создания функционально-интегрированных элементов на основе резонансно-туннельных структур и полевых транзисторов, впервые в России (совместно с ФИАН) получены экспериментальные образцы интегральных схем на основе резонансно-туннельных полупроводниковых гетероструктур.

Здесь создан первый в России сканирующий зондовый микроскоп, предназначенный для решения задач нано-технологии. Отработана технология формирования элементов наноэлект-роники на основе углеродных нанотру-бок, получены экспериментальные образцы полевых транзисторов на основе нанотрубок. Отработаны процессы нанолитографии на базе сканирующих зондовых микроскопов и разработана технология получения сверхтонких металлических нанопленок.

В МИЭТ разработаны и получены действующие базовые элементы акус-тонаноэлектронных приборов с акустическим переносом заряда на основе полупроводниковых гетероструктур. Ведутся работы в области радиационных методов НТ. Впервые методом имплантации германия получены квантовые точки в кремниевой матрице. С использованием процессов самоорганизации разработана технология получения нанопористых материалов на ос-

нове оксида алюминия. На этой основе совместно с ФГУП НИИФП ведутся исследования по созданию элементов терабитных запоминающих устройств и нового поколения фотоэлектронных умножителей. Значительное развитие получили работы в области создания методов диагностики и анализа наноструктур с использованием сканирующей зондовой и просвечивающей электронной микроскопии.

Во многом на основе оригинальных научных результатов в МИЭТ подготовлены и читаются учебные курсы по актуальным проблема НТ: «Полупроводниковые гетероструктуры и квантовые приборы на их основе», «Элементы и приборы наноэлектроники», «Основы сканирующей зондовой микроскопии», «Зондовые методы нанотех-нологии», «Экспериментальные методы исследования и анализа микро- и наноструктур», «Физические основы нанотехнологии».

Учеными физико-химического факультета МИСиС в 1996 году получена Государственная премия за создание технологии получения нанопорошков для специальной техники. В 1985 году был теоретически предсказан и экспериментально доказан механизм резонансного взаимодействия электромагнитного излучения с собственными колебаниями наночастиц, обладающих электрическим или магнитным диполь-ным моментом. Результаты этих исследований позволили разработать тонкие, высокоэффективные(10-15 дБ) и широкополосные (2-38 ГГц) поглотители СВЧ излучения. Из природного железорудного сырья путем перевода его в нанокристаллическое состояние получены образцы постоянных магнитов, характеристики которых сравнимы с характеристиками массивных литых магнитов (ални и алнико). Разработана технология получения тонкопленочных материалов с высоким поверхнос-

тным магнитным моментом на основе бинарных сплавов, немагнитных в массивном состоянии. Использование таких материалов позволит многократно уменьшить габариты современной аппаратуры. На основе наночастиц разработан способ получения поликристаллических алмазов.

На факультете полупроводников разработана технология получения на-норазмерных гетероструктур с увеличенным квантовым выходом для опто-электронных приборов и устройств нетрадиционного преобразования энергии и информации. Запатентовано устройство точного позиционирования на основе монокристалла ниоба-та лития, что позволило создать сканирующий зондовый микроскоп, отличающийся от известных отсутствием гистерезиса, высокой термостабильностью и позволяющий работать в широком температурном интервале.

В научно-учебном центре СВС МИ-СиС-ИСМАН сформулированы физико-химические принципы получения пленок, обладающих высоким комплексом эксплуатационных характеристик, в частности, биосовместимостью. С помощью ионно-плазменных технологий получены многокомпонентные на-ноструктурные покрытия с размером зерен до 1 нм с уникальными физико-механическими свойствами. Такие материалы могут найти широкое применение в машиностроении, металлургии, медицине, коммунальном строительстве и для специальных целей.

На технологическом факультете методами интенсивной пластической деформации получают нано- и субмикрокристаллические структуры в низкоуглеродистых сталях, что делает их прочностные характеристики такими же, как и у высоколегированных.

В рамках одной статьи невозможно рассказать о научных достижениях других вузов, которые в соответствии

с приказом министерства, а также в дополнении к нему (приказ № 3107 от 22.07.03) будут участвовать в эксперименте по подготовке специалистов.

По специальности «Нанотехноло-гия в электронике» - это Воронежский государственный университет, Кабардино-Балкарский государственный университет, Московский государственный институт радиотехники, электроники и информатики (технический университет), Московский государственный технический университет им. Н.Э.Баумана, Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Новосибирский государственный технический университет, Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, Северо-Кавказский государственный технический университет, Таганрогский государственный радиотехнический университет.

По специальности «Наноматериа-лы»: Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Бумана, Московский инженерно-физический институт (государственный университет), Московский энергетический институт (технический университет), Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Санкт-Петербургский государственный технический университет.

Утверждение нового направления подготовки специалистов и новых специальностей произошло в то время, когда Министерство проводит работу по их укрупнению, что, по нашему мнению, является обоснованным, но не исключает возможности организации новых.

Новое направление обладает признаками как технических, так и фунда-

ментальных естественнонаучных специальностей. По сравнению с традиционными техническими дисциплинами новую специальность отличает углубленное изучение квантовой физики, физики твердого тела, опто- и нано-электроники, физики и физической химии систем пониженной размерности, коллоидной и органической химии, сканирующей зондовой микроскопии и технологии, методов синтеза наноструктур и наноматериалов. В отличие от естественнонаучных специальностей классических университетов подготовка по НТ предполагает овладение конкретными современными технологиями и инженерными навыками. По сравнению с родственными специальностями НТ обладает существенно большим интеграционным потенциалом (возможность включения новых направлений и специализаций) и практически неограниченной перспективой развития.

Учитывая новизну проблемы, очевидную значимость НТ для развития высокотехнологичных производств и значительный объем позитивной информации в средствах массовой информации, появление НТ как новой самостоятельной специальности будет способствовать повышению интереса молодежи к получению образования в научно-технической сфере.

Спрос на специалистов в области НТ станет существенным уже в ближайшие годы. Такой прогноз базируется как на тенденциях финансирования фундаментальных разработок в области наноструктур, так и на росте числа предложений специалистам по НТ со стороны промышленности. По оценкам американских экспертов, объем продукции, в которой ключевую роль играет нанотехнология, к 2015 году достигнет 1 триллиона дол. США, а потребность мировой промышленности в соответствующих специалистах

к этому году составит 2 млн. человек. Уже в ближайшее время специалисты по НТ потребуются в следующих областях промышленности и науки:

• на предприятиях микроэлектроники при переходе к субмикронным нормам, где размеры отдельных элементов составят менее 100 нм;

• в создании и обслуживании криптосистем в современных телекоммуникационных сетях;

• в медицине, биологии и фармацевтике;

• в производстве новых систем записи, хранения и обработки информации;

• в производстве светоизлучаю-щих и фотоприемных устройств;

• при создании новых элементов преобразования солнечной энергии;

• в обслуживании и использовании импортной техники, созданной на базе НТ.

Наиболее вероятно, что на начальных этапах становления новой отрасли промышленности основными потребителями будут являться предприятия

и НИИ, разрабатывающие системы военного назначения. Потребности в специалистах по НТ подтверждают обращения ведущих отечественных предприятий.

В рамках УМО по образованию в области радиотехники, электроники, биомедицинской техники и автоматизации в последнее время неоднократно обсуждались планы организации подготовки специалистов по микро- и нанотехнологии. Анализ временных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по направлению 658300 «Нанотехнология» показывает, что образовательная деятельность в России в области нанотехнологии может основываться как на подготовке специалистов, так и на многоуровневой системе «бакалавр-магистр». При этом практически полностью сохраняется единый блок общепрофессиональных дисциплин, а специальные дисциплины могут быть включены в различные программы магистерской подготовки.

В. ПОРУС, профессор Государственный университет -Высшая школа экономики

Так уж исторически сложилось, что религиоведение в российскую высшую школу пришло на смену «научному атеизму». Это означало переход от догматических наскоков, служивших идеологической задаче устранения религии из конкурентного поля, на котором победу прочили атеизму (впрочем, плоды пирровой победы предназначались псевдорелигиозным культам, отметившим трагическую историю нашей страны), к действительно научному исследованию и пониманию религии как

Религиоведение как

ДИСЦИПЛИНа

культурно-исторического явления, выполняющего мало с чем сравнимую по своей значимости роль в жизни человечества.

Вряд ли такой переход мог успешно завершиться в короткий срок. Упомянуть хотя бы дефицит подготовленных (или «переподготовленных») исследовательских и преподавательских кадров, при том, что все еще нет эффективной системы такой подготовки, трудности с учебно-методической литературой, несовершенство и эклек-