А.В. Латышев, Н.Н. Коваль Отчет по базовым программам по нанотехнологиям II.6.3., II.7.3., II.7.4., II.7.5., II.13.5., V.37.3 Заседание Объединенного ученого. - презентация

1 А.В. Латышев, Н.Н. Коваль Отчет по базовым программам по нанотехнологиям II.6.3., II.7.3., II.7.4., II.7.5., II.13.5., V.37.3 Заседание Объединенного ученого совета СО РАН по нанотехнологиям и информационным технологиям 9 декабря 2010 г

2 Приоритетное направление II.6. Актуальные проблемы физики конденсированных сред, в том числе квантовой макрофизики, мезоскопики, физики наноструктур, спинтроники, сверхпроводимости Приоритетное направление II.7. Физическое материаловедение: новые материалы и структуры, в том числе фуллерены, нанотрубки, графены, другие наноматериалы, а также метаматериалы Приоритетное направление II.13. Современные проблемы ядерной физики, в том числе физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, включая физику нейтрино и астрофизические и космологические аспекты, а также физики атомного ядра, физики ускорителей заряженных частиц и детекторов, создание интенсивных источников нейтронов, мюонов, синхротронного излучения и их применения в науке, технологиях и медицине Приоритетное направление V.37. Современные проблемы химии материалов, включая наноматериалы

3 Программа II.6.3. Комплексная нанодиагностика систем пониженной размерности, нанолитография и нанометрология (координатор чл.-к. РАН А.В. Латышев)А.В. Латышев Программа II.7.3. Перспективные полупроводниковые материалы наноэлектроники и нанофотоники (координатор чл.-к. РАН А.В. Двуреченский)А.В. Двуреченский Программа II.7.4. Наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение (координатор д.т.н. Н. Н. Коваль)Н. Н. Коваль Программа II.7.5. Функциональные материалы и структуры для приборов твердотельной техники. Электроника, оптика, системы памяти, сенсоры (координатор ак. РАН Ф.А. Кузнецов) Ф.А. Кузнецов Программа II Диагностика био- и наноструктур методами СИ и терагерцового излучения на электронных пучках (координатор д.ф.-м.н. Н.А. Мезенцев) Программа V Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов (координаторы чл.-к. РАН В.И. Бухтияров и чл.-к. РАН Н.З. Ляхов)В.И. БухтияровН.З. Ляхов

4 Программа II.6.3. Комплексная нанодиагностика систем пониженной размерности, нанолитография и нанометрология координатор чл.-к. РАН А.В. Латышев)А.В. Латышев Проект Методы создания и структурно-химической диагностика на атомарном уровне полупроводниковых систем пониженной размерности (научный руководитель чл.-к. РАН А.В. Латышев, ИФП СО РАН)А.В. ЛатышевИФП СО РАН Проект Нанодиагностика и исследование механизмов молекулярно-лучевой эпитаксии квантово-размерных структур на основе кремния, германия и соединений А3В5, включая нитриды металлов третьей группы (научный руководитель д.ф.-м.н. О.П.Пчеляков, ИФП СО РАН)О.П.ПчеляковИФП СО РАН Проект Оптическая диагностика полупроводниковых квантово-размерных наноструктур с высоким пространственным разрешением (научные руководители к.ф.-м.н. А.И. Торопов, А.М. Гилинский, ИФП СО РАН) Проект Мультиспектральный анализ систем пониженной размерности, лазерная нанолитография и нанометрология асферических поверхностей (научный руководитель д.т.н. О.И. Потатуркин, ИАиЭ СО РАН)ИФП СО РАНИАиЭ СО РАН Проект Разработка и исследование бесконтактных прецизионных элементов и систем контроля поверхности с наноразрешением (научный руководитель к.т.н. А. К. Поташников, КТИ НП СО РАН) А. К. ПоташниковКТИ НП СО РАН Проект Нанодиагностика высокодисперсных материалов, используемых в качестве адсорбентов, катализаторов, носителей катализаторов (научный руководитель д.ф.-м.н. С.В. Цыбуля, ИК СО РАН)ИК СО РАН

5 CЭМ-изображение концентрических двумерных отрицательных островков (а) и зависимость диаметра d островка от времени t при различных температурах (б). а) б) На основе экспериментальных (in situ) исследований кинетики разрастания концентрических двумерных отрицательных островков разработан способ создания на поверхности кремния (111) широких (130 мкм) атомно-гладких террас. С помощью ионно-лучевого травления низкоэнергетичными ионами аргона и последующего термического отжига в сверхвысоком вакууме на поверхности подложки кремния (111) формировались концентрические ступени, ограничивающие отрицательные двумерные островки (рис.1а). Измерена зависимость скорости перемещения концентрических ступеней от температуры в условиях нагрева кристалла постоянным электрическим током. Формирование широких атомно-гладких террас на поверхности кремния (111) Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН

6 Разработка оптической схемы и автоматизированных узлов конфокальной системы сбора многоспектральной информации в схеме с параллельными зондирующими лучами В.П. Бессмельцев Разработана оптическая система многоканального (625 пучков) освещения и параллельного приема мультиспектрального излучения флюоресценции для микрочипов параллельной ДНК секвенции с использованием метода детектирования сигналов от одиночных молекул. Спроектирован, создан и экспериментально испытан макет конфокальной системы сбора многоспектральной информации в схеме с параллельными зондирующими лучами. Освещающая матрица пучков (25х25) с размером каждого не более 0.8 мкм после фильтрации на диафрагме формируется на трех длинах волн (488, 532, 638 нм) в плоскости высокоапертурного объектива. Освещаемая зона секвенирования микрочипа имеет размеры 120х120 мкм. 25х25 микрореакторов (наноколодцев) размером 100 нм в диаметре и 100 нм глубиной сформированы в алюминиевой пленке на кварцевой подложке с шагом 5х5 мкм.

7 Институт автоматики и электрометрии СО РАН «Терагерцовый спектрометр с субпикосекундным разрешением на базе фемтосекундного волоконного лазера» «Терагерцовый спектрометр с субпикосекундным разрешением на базе фемтосекундного волоконного лазера» Разработан и создан малогабаритный терагерцовый (ТГц) спектрометр на базе фемтосекундного волоконного лазера с применением методов оптической генерации (эффект оптического выпрямления в кристаллах ZnTe и фотоэффект Дембера в полупроводнике InAs) и поляризационно-оптической регистрации (электрооптический эффект Поккельса в кристаллах ZnTe) ТГц излучения. Спектральный диапазон, ТГц – 0,2 2,5 Спектральное разрешение, ГГц – 10 Динамический диапазон по напряженности ТГц поля, до – 500 Длительность ТГц импульсов, пс – ТГц спектрометр предназначен для: - исследования полупроводниковых материалов и структур, в т.ч. систем пониженной размерности, без нарушения их функционирования; - изучения внутренней структуры и идентификации сложных биологи- ческих молекул (аминокислот, полипептидов, белков, ДНК и РНК); - неинвазивной диагностики, в т.ч. в медицине; - обнаружения веществ. ТГц спектрометр на пропускание Трансформация ТГц фононного поглощения Предложена методика расчета комплексного показателя преломления материалов по их ТГц спектрам. Экспериментально определены спектральные зависимости показателей преломления и коэффициентов поглощения кристаллов германата свинца Pb 5 Ge 3 O 11 (PGO) и бета-бората бария β-BaB 2 O 4 (β-BBO). Выявлены закономерности трансформации ТГц фононного поглощения в кристаллах PGO в зависимости от температуры. Передаточная функция ТГц спектрометра (в атмосфере) PGO

8 Разработка установки низкотемпературной микро- фотолюминесценции А.М.Гилинский, А.И. Торопов Разработана конструкция оптической схемы установки, обеспечивающая проведение низкотемпературных измерений с высоким пространственным разрешением и высокой эффективностью сбора люминесцентного излучения исследуемого образца. Особенностью разработанной конструкции является возможность использования поляризационно- чувствительной регистрации, необходимой при проведении исследования спин-зависимых эффектов в нанообъектах. Разработанная схема предусматривает использование световода для подачи люминесцентного излучения в спектрометр, используемый для анализа спектра люминесценции. Создана криостатная система, обеспечивающая визуализацию исследуемого образца при его охлаждении до гелиевых температур с возможностью прецизионного перемещения образца.

9 Программа II.7.3. Перспективные полупроводниковые материалы наноэлектроники и нанофотоники (координатор чл.-к. РАН А.В. Двуреченский)А.В. Двуреченский Проект Плотные и разреженные ансамбли квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах (научный руководитель чл.-к. РАН А.В. Двуреченский, ИФП СО РАН)А.В. ДвуреченскийИФП СО РАН Проект Эпитаксиальные слои халькогенидов свинца на кремнии для тепловизионных устройств нового типа (научный руководитель д.ф.-м.н. А.Э. Климов, ИФП СО РАН) ИФП СО РАН Проект Исследование оптических свойств нанокристаллов и нанопористых материалов в условиях плазмонного резонанса (научные руководители д.ф.-м.н. А.Г.Милёхин, к.х.н. О.И.Семенова, ИФП СО РАН)ИФП СО РАН Проект Создание и исследование новых полупроводниковых и графеновых наноструктур, материалов и метаматериалов для фотоники, плазмоники и электроники (научный руководитель д.ф.-м.н. В.Я.Принц, ИФП СО РАН)ИФП СО РАН Проект Исследование особенностей транспорта в низкоразмерных квантовых системах, включая спиновый транспорт (научный руководитель д.ф.-м.н. В.Е. Архинчеев, ОФП БНЦ СО РАН) ОФП БНЦ СО РАН

10 Эффект переключения проводимости многослойных (n < 10) графеновых пленок при адсорбции аммиака И.В.Антонова, С.В.Мутилин, В.А.Селезнев, Р.А.Соотс, В.Я.Принц Переключение проводимости в графеновой пленке толщиной 3 нм в атмосфере аммиака Зависимость величины эффекта от толщины пленок (или количества слоев графена) Обнаружен эффект переключения проводимости на 6-7 порядков. Предложена модель процессов, объясняющая данный эффект. Модель основана на формировании р-п-переходов на границах блоков в графене при легировании аммиаком. Эффект перспективен для применения в наноэлектронике и фотонике.

11 Анизотропное обменное взаимодействие в структурах с Ge/Si квантовыми точками А.Ф. Зиновьева, А.В. Ненашев, А.В. Двуреченский Выявлен вклад анизотропного обменного взаимодействия в процессы спиновой релаксации в двумерных массивах Ge/Si квантовых точек. Найдены условия и пространственная конфигурация квантовых точек, для которых анизотропное обменное взаимодействие не дает вклада в декогеренцию спиновых состояний. Такая конфигурация квантовых точек может быть применена для построения элементной базы квантовых логических операций.

12 Зарождение и самоорганизация дислокаций в трёхмерных островках, формируемых в процессе гетероэпитаксии Ge/Si(100) В.А. Зиновьев, Ж.В. Смагина, П. А. Кучинская, В.А. Армбристер, A. Marzegalli, F. Boioli, R. Gatti, F. Montalenti, L. Miglio Показано, что рельеф границы раздела трёхмерных GeSi островков, содержащих дислокации, с подложкой Si(100) представляет собой упорядоченную структуру в виде концентрических колец, отражающих зарождение в островке каждой новой дислокации. Период кольцевой структуры характеризует среднее расстояние, на которое успевает вырасти боковая граница островка между двумя последовательными актами зарождения дислокаций в островке. Центральная часть, «плато», указанной структуры соответствует размеру основания когерентного островка непосредственно перед зарождением в нём первой дислокации.

13 Программа II.7.4. Наноструктурные слои и покрытия: оборудование, процессы, применение (координатор д.т.н. Н. Н. Коваль)Н. Н. Коваль Проект Научные основы разработки электронно-ионно-плазменного оборудования для создания наноструктурных слоев и покрытий (научный руководитель д.т.н. Н. Н. Коваль, ИСЭ СО РАН)Н. Н. КовальИСЭ СО РАН Проект Исследование закономерностей и механизмов электронно-ионно- плазменного формирования наноструктурных слоев и покрытий (научный руководитель д.ф-м. н. Ю. Ф. Иванов, ИСЭ СО РАН)ИСЭ СО РАН Проект Процессы образования поверхностных наноструктурных слоев и покрытий боридов и карбидов при интенсивном воздействии электронным пучком (научный руководитель д.т.н. Н.Н.Смирнягина, ОФП БНЦ СО РАН)ОФП БНЦ СО РАН

14 Профили микротвердости стали 45 (E S = 20 Дж/см 2 ; τ = 50 мкс; f = 0,3 Гц) Осуществлено электровзрывное легирование (ЭВЛ) медью и последующая электронно-пучковая обработка (в широком интервале параметров пучка электронов) поверхности стали 45. Показано, что электровзрывное легирование стали медью сопровождается формированием поверхностного слоя толщиной до 20 мкм с повышенными значениями микротвердости. Последующая обработка стали электронным пучком приводит к увеличению микротвердости поверхностного слоя образца (в ~2 раза, по отношению к стали, подвергнутой ЭВЛ, и в ~6 раз, по отношению к стали исходного состояния). При этом толщина упрочненного слоя практически не изменяется и составляет 20…25 мкм. Показано, что увеличение твердости поверхностного слоя стали обусловлено формированием нанокристаллической многофазной структуры Поверхность стали 45 после электровзрывного легирования (а) и после обработки электронным пучком (б, в). Сканирующая электронная микроскопия 1- исх.; 2- 5; 3- 10; 4 – 15; 5 – 25; имп. H V, кГ/мм 2 абв 250 нм 100 нм Структура поверхностного слоя стали 45 после легирования медью и облучения электронным пучком. Просвечивающая электронная микроскопия Формирование нанокристаллической многофазной структуры на поверхности стали 45 при электровзрывном легировании медью и последующей электронно-пучковой обработки Институт сильноточной электроники СО РАН

15 Программа II.7.5. Функциональные материалы и структуры для приборов твердотельной техники. Электроника, оптика, системы памяти, сенсоры (координатор ак. Ф.А. Кузнецов)Ф.А. Кузнецов Проект Развитие методов создания функциональных материалов и структур на их основе. Определение областей их применения (научный руководитель ак. Ф.А. Кузнецов, ИНХ СО РАН)Ф.А. КузнецовИНХ СО РАН Проект Электронная структура и свойства углеродсодержащих наноматериалов (научный руководитель д.ф.-м.н. А.В. Окотруб, ИНХ СО РАН)А.В. ОкотрубИНХ СО РАН Проект Экспериментальные и теоретические исследования новых функциональных материалов и структур (научный руководитель д.ф.-м.н. В.Г. Мартынец, ИНХ СО РАН)В.Г. МартынецИНХ СО РАН Проект Физико-химические основы разработки и оптимизации процессов получения фаз переменного состава в системах халькогенидных соединений РЗЭ и переходных металлов, как перспективных функциональных материалов (научный руководитель д.х.н. В.В. Баковец, ИНХ СО РАН)В.В. БаковецИНХ СО РАН Проект Лазерные и сцинтилляционные кристаллические материалы: поиск, совершенствование методов и технологий выращивания (научный руководитель ак. Ф.А. Кузнецов, ИНХ СО РАН)Ф.А. КузнецовИНХ СО РАН Проект Направленный синтез активных диэлектриков и люминофоров на основе сложнооксидных соединений Mo (VI), W(VI) и B (научные руководители д.х.н. Ж.Г. Базарова, д.х.н. Е.Г. Хайкина, БИП СО РАН)БИП СО РАН Проект Перспективные монокристаллы для фотоники и детектирования ионизирующего излучения (научный руководитель д.т.н. А.Е. Кох, ИГМ СО РАН)ИГМ СО РАН Проект Условия кристаллизиции и реальная структура фаз высокого давления (научные руководители чл.-к. РАН В.С. Шацкий, ИГМ СО РАН, д.г.-м.н. Ю.Н. Пальянов, ИГМ СО РАН) ИГМ СО РАН Проект Кристаллические материалы для твердотельных детекторов, солнечных элементов и оптики: синтез, рост и свойства (научный руководительд.ф.-м.н. А.И. Непомнящих, ИГХ СО РАН)ИГХ СО РАН Проект Теплофизические процессы при получении пленок, слитков, поли- и монокристаллов (научный руководитель д.ф.-м.н. В.С. Бердников, ИТ СО РАН)ИТ СО РАН Проект Фундаментальные основы создания высокоэффективных лазерных систем на основе анизотропных кристаллов калий-редкоземельных вольфрамов (научный руководитель к.ф.-м.н. С.М. Ватник, ИЛФ СО РАН)ИЛФ СО РАН Количество человек, работающих по программе: 239

16

17

18 Выращивание большеразмерных кристаллов ZnWO 4 Показана возможность масштабирования режимов, найденных на лабораторной установке, для роста кристаллов ZWO Ø85 мм x 200 мм весом более 7 кг. Кристаллы для использования в проектах по исследованию темной материи переданы в : Institute for Nuclear Res., Kyev Max Plank Institute (Germany) INFN (Italy)

19 Рост слитков мультикристаллического кремния CA Созданы основы проектирования промышленного массового производства кремния для нужд солнечной энергетики

20 Программа II Диагностика био- и наноструктур методами СИ и терагерцового излучения на электронных пучках (координатор д.ф.-м.н. Н.А. Мезенцев) Проект Проведение исследований на базе источников СИ ВЭПП-3 и ВЭПП-4 (научный руководитель д.ф.-м.н. Н.А. Мезенцев, ИЯФ СО РАН)ИЯФ СО РАН Проект Фундаментальные исследования с терагерцовым излучением на Новосибирском ЛСЭ (научный руководитель д.ф.-м.н. Б. А. Князев, ИЯФ СО РАН)ИЯФ СО РАН Проект Установление структуры низкопроцентных катализаторов с использованием синхротронного излучения (научный руководитель д.ф.-м.н. Д.И. Кочубей, ИК СО РАН) ИК СО РАН

21 Фундаментальные исследования с терагерцовым излучением на Новосибирском ЛСЭ В 2010 году была завершена сборка и проведен запуск второй очереди Новосибирского лазера на свободных электронах (далее ЛСЭ). В настоящее время для пользователей ЛСЭ имеются два источника терагерцового излучения. Первая очередь лазера, запущенная в 2004 году генерирует импульсно-периодическое излучение мощностью до 400 Вт, перестраиваемое в диапазоне 120 – 240 мкм. Вторая очередь, лазерный резонатор на втором треке, генерирует в настоящее время в отладочном режиме излучение в диапазоне 50 – 70 мкм. Ожидается, что в скором времени для пользователей будет доступно излучение в диапазоне 20 – 120 мкм. Поскольку новосибирский ЛСЭ имеет мощность на четыре порядка величины превышающую мощность самых интенсивных из существующих в мире источников терагерцового излучения, в 2010 году были проведены исследования и получены результаты, не имеющие аналогов в мире. Характеристики лазерного пучка: Монохроматическое излучение, перестраиваемое в диапазоне 20 – 240 мкм Относительная ширина спектральной линии: (0.3 – 1)% Расхождение пучка: радиан Угол линейной поляризации: не менее 99.6% Непрерывная последовательность импульсов со средней мощностью 200 Вт Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН

22 Разработка технологии изготовления металлических сеточных структур для частотной и пространственной селекции мощного излучения терагерцового лазера на свободных электронах а) Фотография тестового образца свободно висящей медной сеточной структуры диаметром 40 мм и толщиной сетки 75 мкм. б) СЭМ фотография отдельной ячейки. В данной работе разработана методика изготовления методами LIGA-технологии свободновисящих металлических сеточных структур с заранее рассчитанными геометрическими параметрами и с размерами элементов в несколько десятков микрометров. Изготовлены тестовые образцы медных сеточных структур диаметром 40 мм и толщиной 75 мкм.

23 Программа V Синтез и диагностика объемных наноразмерных и наноструктурированных материалов (координаторы чл.-к. РАН В.И. Бухтияров и чл.-к. РАН Н.З. Ляхов)В.И. БухтияровН.З. Ляхов Проект Научные основы разработки биокомпозитов и систем медицинского назначения на основе ультрадисперсных, наноразмерных и наноструктурных материалов (научные руководители д.ф.-м.н. С. Г.Псахье, д.ф.-м.н. Ю.П.Шаркеев, ИФПМ СО РАН)ИФПМ СО РАН Проект Разработка методов направленного синтеза новых многофункциональных гибридных наноструктурированных материалов на основе оригинальных гетероциклических полимеров с комплексом ценных свойств (научный руководитель ак. д.х.н. Г. Ф. Мячина ИрИХ СО РАН)ИрИХ СО РАН Проект Синтез и исследование наноразмерных и наноструктурированных оксидных материалов и гетерогенных катализатьров на их основе (научный руководитель д.х.н. А.С. Иванова, ИК СО РАН) ИК СО РАН Проект Синтез и исследование особенностей физикохимических свойств наноразмерных металлических каталитически активных 1D – 3D частиц в структуре микропористых оксидов, углеродных материалов и цеолитов (научный руководитель д.х.н. З.Р. Исмагилов, ИК СО РАН)ИК СО РАН Проект Целенаправленный синтез, модифицирование и исследование адсорбционных и каталитических свойств новых наноструктуриро-ванных материалов: композитов «соль в матрице», керметов, металла-люминофосфатов, мезопористых мезофазных силикатов (научные руководители д.х.н. Аристов Ю.И., к.х.н. М.С. Мельгунов ИК СО РАН) Проект Направленный синтез наноматериалов с контролируемой морфологией (научный руководитель д.х.н. Н.Ф.Уваров, ИХТТМ СО РАН)ИК СО РАНИХТТМ СО РАН

24 Синтез и исследование адсорбционных и каталитических свойств модифицированных мезопористых мезофазных силикатов а) б) Разработан метод синтеза магнитоотделяемых катализаторов и адсорбентов с морфологией «непористое ядро – мезопористая оболочка». Для этого использован подход, включающий стадии приготовления изолированных наночастиц мангемита, покрытие этих частиц непористым слоем SiO 2 и далее мезопористым слоем силикатной мезофазы. Показано, что синтезированные материалы не имеют такого монодисперсного состава частиц, как подобные материалы без магнитных ядер. Силикатные материалы с морфологией «непористое ядро – мезопористая оболочка» а) без и б) с магнитыми ядрами Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

25 Синтез и исследование адсорбционных и каталитических свойств керметов Разработана методика изготовления керметов с мезопористыми компонентами и их прекурсорами, включающая смешение порошкообразных продуктов, загрузку их в пресс-форму, виброуплотнение, гидротермальную обработку, сушку и прокаливание. Образец кермета, изготовленного из порошкообразного алюминия марки АСД-1 и прекурсора мезопористого оксида алюминия – аморфного продукта ЦТА. Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

26 В 2010 году по тематике программы опубликовано: 4 монографии 290 статей 23 патента, Более 320 докладов

27 Общие замечания Обоснование отношения результатов исследования к области нанотехнологий Основа «базовых» проектов – фундаментальные исследования «Базовый» проект – государственный контракт, в котором результаты исследований (отчеты) должны соответствовать техзаданию (планам) Сроки и формы представления отчетов