eng
В 2004 году в Московском государственном университете информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА) была создана научная группа под руководством д.ф.-м.н., профессора Елены Мишиной, которая занималась исследованием сегнетоэлектрического эффекта в твердотельных тонкопленочных структурах. В том же году были приобретены первые фемтосекундные лазеры и к работе подключились студенты и аспиранты, что позволило вывести исследования на качественно новый уровень. В дальнейшем на базе группы были созданы специализированные учебно-научные лаборатории "Фемтосекундная оптика для нанотехнологий" и "Сверхбыстрая динамика ферроиков" при кафедре физики конденсированного состояния (ФКС) МИРЭА. Полученные результаты оказались настолько существенными, что направление "Лазерная физика и технологии" было признано одним из приоритетных в научной работе всего университета. Исследования финансируются в рамках ФЦП, мегагранта Правительства РФ (в рамках приказа p220), проектов Российского фонда фундаментальных исследований и Российского научного фонда.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.59.5.32.39
DOI:10.22184/1993-8578.2015.59.5.32.39
От сравнительно узких по своей тематике исследований сегнетоэлектрических свойств тонких пленок цирконата-титаната свинца и титаната бария-стронция научная группа Е.Мишиной постепенно перешла к реализации комплексных научных программ в области создания новых материалов для микро-, нано- и оптоэлектроники. Сейчас в группу входят 13 человек, в том числе, девять аспирантов и студентов. Во многом благодаря наличию современно оснащенных лабораторий "Фемтосекундная оптика для нанотехнологий" и "Сверхбыстрая динамика ферроиков" МИРЭА стал участником технологической платформы "Фотоника".
Фундаментальные и прикладные исследования новых материалов
"Традиционные технологии создания электронной компонентной базы в значительной степени исчерпали свои возможности, что обусловлено фундаментальными ограничениями свойств материалов, – считает одна из создателей научной группы, доцент кафедры ФКС, к.ф.-м.н. Наталия Шерстюк. – Проблема состоит не столько в невозможности получения тонких функциональных слоев необходимого качества, сколько в том, что структура применяемых полупроводниковых материалов не дает возможности в необходимой степени повышать интеграцию элементов микроэлектроники и уменьшать их размер. Поэтому надо искать не только новые инженерные решения, но и новые материалы".
В области создания энергонезависимой памяти перспективным направлением является применение сегнетоэлектрических материалов. Память на базе таких материалов характеризуется очень высокой надежностью хранения данных. В отличие от ферромагнетиков, сегнетоэлектрики нечувствительны к магнитным полям, а также обладают высокой радиационной стойкостью. Благодаря этому память на сегнетоэлектриках имеет хорошие перспективы в космических исследованиях, военной технике и других областях, связанных с работой в экстремальных условиях. В частности, еще в 1970-х годах она была применена в управляющих компьютерах космических аппаратов "Вояджер".
В настоящее время многообещающие направления связаны с применением мультиферроиков, обладающих свойствами как сегнетоэлектриков, так и ферромагнетиков, а также так называемых метаматериалов – искусственно созданных материалов с заданными свойствами, в частности, фотонных кристаллов. Важной междисциплинарной проблемой является изучение динамики переходных процессов при переключении свойств таких материалов на терагерцовых частотах. В разработке фотонных кристаллов научной группой достигнуты хорошие практические результаты, которые могут использоваться для создания устройств, и получено несколько патентов, уже привлекших внимание крупных международных компаний.
Широкий круг проблем связан с внедрением оптических технологий в вычислительные системы, чтобы быстродействие последних определялось самой высокой из известных современной физике скоростей – скоростью света. Однако существующие прототипы оптического процессора характеризуются большими габаритами при низкой скорости обработки информации, поэтому хорошие перспективы имеет комбинация традиционных и оптических технологий, в частности, оптическое переключение функциональных свойств материалов. Уже реализовано оптическое переключение ферромагнетиков, то есть изменение намагниченности среды под воздействием фемтосекундного лазерного излучения, следующий шаг – реализация переключения свойств в сегнетоэлектриках и родственных им материалах. Эта тема интересна и с фундаментальной и с прикладной точек зрения. Исследования ведутся в лаборатории "Сверхбыстрая динамика ферроиков". На текущем этапе создается теоретический фундамент – разрабатывается математическая модель процесса переключения сегнетоэлектрика под действием оптического излучения.
Еще одно направление связано с созданием биосовместимых материалов для электронных устройств, в частности, безопасных для живых клеток сегнетоэлектриков. Научной группой проведены исследования сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических свойств пептидных микро- и наноструктур, которые растут методом самосборки и характеризуются дешевизной и относительной простотой получения. Реализация биосовместимых микроэлектронных устройств, которые могут вживляться в организмы людей, открывает новые возможности перед нейрохирургией и другими областями медицины.
Полученные научной группой практические результаты в различных направлениях исследований защищены семью патентами, кроме того три заявки ожидают патентной экспертизы.
Оригинальные методики, уникальное оборудование
Лаборатории оснащены современным оборудованием, что позволяет не только исследовать наиболее актуальные научные проблемы, но и качественно проводить учебный процесс.
Уникальной запатентованной разработкой научной группы является нелинейный оптический микроскоп, прототип которого собран и используется в работе. Принцип действия прибора основан на регистрации излучения второй гармоники, возникающего при воздействии лазерного излучения на исследуемый объект, что позволяет выполнять неразрушающий контроль намагниченности ферромагнетиков, поляризации сегнетоэлектриков, а также симметрии кристаллов. Более того, возможен контроль динамики изменения перечисленных характеристик, причем отсутствуют жесткие ограничения на размер исследуемого объекта.
Так как для регистрации сигнала в нелинейном оптическом микроскопе используется сравнительно "медленный" фотоэлектронный умножитель, разрешение измерения по времени составляет около 5 нс. Поэтому для исследования сверхбыстрой динамики ферроиков используется так называемая методика "оптического возбуждения – зондирования (optical pump-probe)", обеспечивающая временное разрешение до сотых долей пикосекунды. Суть этой методики состоит в оптической регистрации изменений, которые происходят в веществе под действием мощного источника оптического излучения со сверхкороткой (менее 0,1 пс) длительностью импульса.
Большинство используемых в лабораториях фемтосекундных лазеров изготовлены в России – фирмой "Авеста-Проект" из Троицка. По словам Н.Шерстюк, эти лазеры очень надежны и прекрасно подходят не только для научной работы, но и для учебного процесса.
Интересная установка создана на базе сканирующего оптического микроскопа ближнего поля Alpha 300 (WITec), который также может работать в режиме атомно-силовой микроскопии. С помощью специальной неоптоволоконной оптической системы в микроскоп заведено излучение титан-сапфирового фемтосекундного лазера и возможно исследование с высоким разрешением нелинейного оптического отклика от образцов сегнетоэлектриков и мультиферроиков, двумерных полупроводников и других наноразмерных объектов.
Для низкотемпературных исследований в лаборатории применяется азотно-гелиевый криостат, в котором можно проводить оптические измерения при температуре до 10 K.
Изучение поверхности образцов с нанометровым разрешением выполняется на компактном низковакуумном растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6390LV.
Сотрудничество с ведущими российскими и мировыми научными группами
"Мы активно сотрудничаем с кафедрой квантовой радиофизики Физического факультета МГУ им. М.Ю.Ломоносова, которая занимается сходными с нами проблемами, – рассказывает Н.Шерстюк о совместной работе с коллегами из других институтов. – Особо следует отметить взаимодействие с Южным научным центром РАН и Южным Федеральным университетом (Ростов-на-Дону), где работает одна из лучших не только в России, но и в мире групп, занимающихся изготовлением наноразмерных сегнетоэлектрических материалов. Наш давний партнер – Институт кристаллографии РАН, с которым реализовано большое число проектов. С санкт-петербургским Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе сотрудничаем в исследовании сверхбыстрой динамики ферроиков, а также в области лазерной кристаллизации сегнетоэлектрических материалов. В 2013 году появились совместные проекты также с Московским институтом электронной техники".
Ключевой зарубежный партнер, начало работы с которым создало базу для развития исследований в области сверхбыстрой динамики ферроиков – группа профессора Расинга из Института молекул и материалов университета Наймегена (Нидерланды). Участник этой группы Алексей Кимель в настоящее время руководит проектом по сверхбыстрой динамике ферроиков, реализуемым в рамках мегагранта Правительства РФ. Давнее сотрудничество связывает группу Е.Мишиной с коллегами из японского университета Сайтама, которые занимаются исследованиями в области физической химии и биологии. Также продуктивное взаимодействие налажено с учеными из Университета города Авейру (Португалия), исследующими сегнетоэлектрические материалы методами атомно-силовой микроскопии.
В Ближнем зарубежье Н.Шерстюк отметила Институт прикладной физики академии наук Молдовы: "Мы используем разработанные в Кишиневе новые полупроводниковые материалы, в частности, на них были проведены первые исследования при создании нелинейного оптического микроскопа. Сейчас коллеги успешно работают над проблемой получения двумерных полупроводников дихалькогенидов переходных металлов – графеноподобных материалов, которые, в отличие от графена, обладают запрещенной зоной, а значит могут использоваться в традиционной микроэлектронике".
Руководители группы считают сотрудничество с другими институтами важным не только с точки зрения информационного обмена, но и для подготовки и повышения квалификации молодых ученых. Все участники группы, включая студентов, помимо исследовательской работы, задействованы в коммуникациях с российскими и иностранными коллегами, регулярно докладывают о достигнутых результатах на международных конференциях. Н.Шерстюк: "В наших ближайших планах особое место занимает проект по сверхбыстрой динамике ферроиков, так как он позволяет нам развивать лаборатории и активно сотрудничать с передовыми российскими и международными научными группами, обмениваться опытом организации научной и учебной работы".
Фундаментальные и прикладные исследования новых материалов
"Традиционные технологии создания электронной компонентной базы в значительной степени исчерпали свои возможности, что обусловлено фундаментальными ограничениями свойств материалов, – считает одна из создателей научной группы, доцент кафедры ФКС, к.ф.-м.н. Наталия Шерстюк. – Проблема состоит не столько в невозможности получения тонких функциональных слоев необходимого качества, сколько в том, что структура применяемых полупроводниковых материалов не дает возможности в необходимой степени повышать интеграцию элементов микроэлектроники и уменьшать их размер. Поэтому надо искать не только новые инженерные решения, но и новые материалы".
В области создания энергонезависимой памяти перспективным направлением является применение сегнетоэлектрических материалов. Память на базе таких материалов характеризуется очень высокой надежностью хранения данных. В отличие от ферромагнетиков, сегнетоэлектрики нечувствительны к магнитным полям, а также обладают высокой радиационной стойкостью. Благодаря этому память на сегнетоэлектриках имеет хорошие перспективы в космических исследованиях, военной технике и других областях, связанных с работой в экстремальных условиях. В частности, еще в 1970-х годах она была применена в управляющих компьютерах космических аппаратов "Вояджер".
В настоящее время многообещающие направления связаны с применением мультиферроиков, обладающих свойствами как сегнетоэлектриков, так и ферромагнетиков, а также так называемых метаматериалов – искусственно созданных материалов с заданными свойствами, в частности, фотонных кристаллов. Важной междисциплинарной проблемой является изучение динамики переходных процессов при переключении свойств таких материалов на терагерцовых частотах. В разработке фотонных кристаллов научной группой достигнуты хорошие практические результаты, которые могут использоваться для создания устройств, и получено несколько патентов, уже привлекших внимание крупных международных компаний.
Широкий круг проблем связан с внедрением оптических технологий в вычислительные системы, чтобы быстродействие последних определялось самой высокой из известных современной физике скоростей – скоростью света. Однако существующие прототипы оптического процессора характеризуются большими габаритами при низкой скорости обработки информации, поэтому хорошие перспективы имеет комбинация традиционных и оптических технологий, в частности, оптическое переключение функциональных свойств материалов. Уже реализовано оптическое переключение ферромагнетиков, то есть изменение намагниченности среды под воздействием фемтосекундного лазерного излучения, следующий шаг – реализация переключения свойств в сегнетоэлектриках и родственных им материалах. Эта тема интересна и с фундаментальной и с прикладной точек зрения. Исследования ведутся в лаборатории "Сверхбыстрая динамика ферроиков". На текущем этапе создается теоретический фундамент – разрабатывается математическая модель процесса переключения сегнетоэлектрика под действием оптического излучения.
Еще одно направление связано с созданием биосовместимых материалов для электронных устройств, в частности, безопасных для живых клеток сегнетоэлектриков. Научной группой проведены исследования сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических свойств пептидных микро- и наноструктур, которые растут методом самосборки и характеризуются дешевизной и относительной простотой получения. Реализация биосовместимых микроэлектронных устройств, которые могут вживляться в организмы людей, открывает новые возможности перед нейрохирургией и другими областями медицины.
Полученные научной группой практические результаты в различных направлениях исследований защищены семью патентами, кроме того три заявки ожидают патентной экспертизы.
Оригинальные методики, уникальное оборудование
Лаборатории оснащены современным оборудованием, что позволяет не только исследовать наиболее актуальные научные проблемы, но и качественно проводить учебный процесс.
Уникальной запатентованной разработкой научной группы является нелинейный оптический микроскоп, прототип которого собран и используется в работе. Принцип действия прибора основан на регистрации излучения второй гармоники, возникающего при воздействии лазерного излучения на исследуемый объект, что позволяет выполнять неразрушающий контроль намагниченности ферромагнетиков, поляризации сегнетоэлектриков, а также симметрии кристаллов. Более того, возможен контроль динамики изменения перечисленных характеристик, причем отсутствуют жесткие ограничения на размер исследуемого объекта.
Так как для регистрации сигнала в нелинейном оптическом микроскопе используется сравнительно "медленный" фотоэлектронный умножитель, разрешение измерения по времени составляет около 5 нс. Поэтому для исследования сверхбыстрой динамики ферроиков используется так называемая методика "оптического возбуждения – зондирования (optical pump-probe)", обеспечивающая временное разрешение до сотых долей пикосекунды. Суть этой методики состоит в оптической регистрации изменений, которые происходят в веществе под действием мощного источника оптического излучения со сверхкороткой (менее 0,1 пс) длительностью импульса.
Большинство используемых в лабораториях фемтосекундных лазеров изготовлены в России – фирмой "Авеста-Проект" из Троицка. По словам Н.Шерстюк, эти лазеры очень надежны и прекрасно подходят не только для научной работы, но и для учебного процесса.
Интересная установка создана на базе сканирующего оптического микроскопа ближнего поля Alpha 300 (WITec), который также может работать в режиме атомно-силовой микроскопии. С помощью специальной неоптоволоконной оптической системы в микроскоп заведено излучение титан-сапфирового фемтосекундного лазера и возможно исследование с высоким разрешением нелинейного оптического отклика от образцов сегнетоэлектриков и мультиферроиков, двумерных полупроводников и других наноразмерных объектов.
Для низкотемпературных исследований в лаборатории применяется азотно-гелиевый криостат, в котором можно проводить оптические измерения при температуре до 10 K.
Изучение поверхности образцов с нанометровым разрешением выполняется на компактном низковакуумном растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6390LV.
Сотрудничество с ведущими российскими и мировыми научными группами
"Мы активно сотрудничаем с кафедрой квантовой радиофизики Физического факультета МГУ им. М.Ю.Ломоносова, которая занимается сходными с нами проблемами, – рассказывает Н.Шерстюк о совместной работе с коллегами из других институтов. – Особо следует отметить взаимодействие с Южным научным центром РАН и Южным Федеральным университетом (Ростов-на-Дону), где работает одна из лучших не только в России, но и в мире групп, занимающихся изготовлением наноразмерных сегнетоэлектрических материалов. Наш давний партнер – Институт кристаллографии РАН, с которым реализовано большое число проектов. С санкт-петербургским Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе сотрудничаем в исследовании сверхбыстрой динамики ферроиков, а также в области лазерной кристаллизации сегнетоэлектрических материалов. В 2013 году появились совместные проекты также с Московским институтом электронной техники".
Ключевой зарубежный партнер, начало работы с которым создало базу для развития исследований в области сверхбыстрой динамики ферроиков – группа профессора Расинга из Института молекул и материалов университета Наймегена (Нидерланды). Участник этой группы Алексей Кимель в настоящее время руководит проектом по сверхбыстрой динамике ферроиков, реализуемым в рамках мегагранта Правительства РФ. Давнее сотрудничество связывает группу Е.Мишиной с коллегами из японского университета Сайтама, которые занимаются исследованиями в области физической химии и биологии. Также продуктивное взаимодействие налажено с учеными из Университета города Авейру (Португалия), исследующими сегнетоэлектрические материалы методами атомно-силовой микроскопии.
В Ближнем зарубежье Н.Шерстюк отметила Институт прикладной физики академии наук Молдовы: "Мы используем разработанные в Кишиневе новые полупроводниковые материалы, в частности, на них были проведены первые исследования при создании нелинейного оптического микроскопа. Сейчас коллеги успешно работают над проблемой получения двумерных полупроводников дихалькогенидов переходных металлов – графеноподобных материалов, которые, в отличие от графена, обладают запрещенной зоной, а значит могут использоваться в традиционной микроэлектронике".
Руководители группы считают сотрудничество с другими институтами важным не только с точки зрения информационного обмена, но и для подготовки и повышения квалификации молодых ученых. Все участники группы, включая студентов, помимо исследовательской работы, задействованы в коммуникациях с российскими и иностранными коллегами, регулярно докладывают о достигнутых результатах на международных конференциях. Н.Шерстюк: "В наших ближайших планах особое место занимает проект по сверхбыстрой динамике ферроиков, так как он позволяет нам развивать лаборатории и активно сотрудничать с передовыми российскими и международными научными группами, обмениваться опытом организации научной и учебной работы".
Отзывы читателей
