В Інституті фізики напівпровідників вчаться маніпулювати атомами й молекулами

Слово «нанотехнології» поступово входить у наше життя. Звістки про нові сфери їх застосування надходять звідусіль. Ось повідомлення майже на межі анекдоту — в Новосибірську на основі розробки вчених з Академмістечка почали додавати наночастинки срібла у звичайний хліб. Виявляється, він не тільки поживний, а й бактерицидний — лікує шлунково-кишкові хвороби. У деяких країнах стверджують, що почали виготовляти нанокреми й нанопудру, які мають унікальні властивості...

Такі заяви, звичайно, викликають у вчених суперечливі почуття. Так, нобелівський лауреат Ж.Алфьоров, який недавно приїжджав до Києва, переконаний, що можливості й перспективи в нанотехнологій значно серйозніші. Майбутнє будь-якого суспільства нині пов’язане з тим, як воно ставиться до нанотехнологій.

Першу подорож у світ нанотехнологій ми зробили в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Лашкарьова. Ніхто не заперечуватиме, що саме електронники — першопрохідники й ідеологи цього напряму.

— Усе почалося з прагнення фізиків зробити елементи, які використовуються в електроніці, якомога мініатюрнішими, — розповів перший заступник директора інституту член-кореспондент НАН України Олександр БЄЛЯЄВ. — Елементи ставали все меншими й меншими, а архітектура напівпровідникових структур усе ускладнювалася. Зрештою вчені дійшли до розмірів, що вимірюються нанометрами (нанометр — одна мільярдна частина метра).

Тут починається зовсім новий, квантовий, світ, в якому панують інші фізичні закони. Вони такі незвичні: наприклад, не можна точно сказати, де в них розташована частинка, й сам Бог кидає кості, аби визначити її місцезнаходження. Цей цілком незвичайний світ не можна пояснити з допомогою понять, до яких ми звикли в нашому повсякденному світі.

— Олександре Євгеновичу, відомо, що Альберт Ейнштейн не приймав квантові закони. Вас не дивує квантовий світ?

— Ейнштейн був одним із винахідників квантової фізики. Проте він хотів заглянути ще глибше. Квантовий світ дивує, коли вдається відкрити щось нове, ну а закони мікросвіту ми вивчаємо в інституті, й не вірити їм у нас немає підстав. Усе, що ми тепер спостерігаємо в експерименті, підпорядковується цим законам. Йдучи за ними, сучасні вчені одержали штучний атом, тобто певну систему, яка складається з сотень або тисяч атомів, так звані квантові точки. І це вже зовсім інше середовище з властивостями, притаманними квантовому світу.

Реальна нанотехнологія полягає в тому, щоб маніпулювати атомами й молекулами і з них створювати потрібні функціональні пристрої. Наприклад, з допомогою лазерних пінцетів ми можемо взяти атом в одному місці й пересунути його в інше. Це унікальний прорив, оскільки можна створювати системи, які досі видавалися фантастичними, наприклад, діагностичні мікроінструменти, що стежитимуть за роботою серця, внутрішніх органів і подаватимуть лікареві сигнали зсередини організму.

— У пресі повідомлялося, що коли реалізація атомних проектів потребує мільярдних витрат, то нанотехнології обійдуться в тисячу разів дорожче (трильйони доларів), і, мов­ляв, таких витрат жодна держава не витримає. Як бути?

— Щоб вистачило коштів, треба визначитися: чи справді кожен конкретний проект аж такий потрібний людству. Мені здається, шкура варта вичинки й ціна не буде надмірною, оскільки нанотехнології можна буде застосувати в усіх сферах людської діяльності. Почалося все з електроніки, але поступово з’явилася наномедицина, нанобіотехнологія, нанохемотехнологія.

За американськими оцінками, одна розробка в галузі нанотехнологій потребує вливання від двох до п’яти мільярдів доларів на рік. Практично всі розвинені країни вже долучилися до цієї гонки, тому що той, хто першим вийде на ринок із продукцією, побудованою на нанотехнологіях, його й завоює.

Американці вже тепер можуть собі дозволити виділяти на ці програми 150—300 млрд. дол. Вони ведуть розробки по всіх можливих напрямах. Водночас далеко не бідна Японія обмежилася лише двома: інформаційними технологіями й навколишнім середовищем. Вони розробляють нові технології для виробництва чипів, інформаційних систем, які мають величезну швидкодію й пам’ять. Крім того, працюють над сенсорами для охорони навколишнього середовища, діагностики, нових методів лікування.

— А які є ще потужні гравці на цих напрямах?

— Я б назвав Німеччину, Фран­цію, Англію. Практично всі євро­пейські країни долучилися до цієї гонки.

— Вони поділили між собою зав­дання?

— Тут привертає увагу цікава річ: усі програми з нанотехнологій у Європі — національні, попри тезу про формування загальноєвропейського наукового простору. Таке враження, що над нанотехнологіями європейські країни хочуть працювати самостійно.

— Чому?

— Надто великий приз переможцям на цьому напрямі, й кожна країна прагне зробити досягнення у цих програмах своїм національним надбанням, щоб залишити пріоритет і право на володіння інтелектуальною власністю за собою. Німеччина, приміром, інтенсивно займається напівпровідниковими нанотехнологіями. Поки що найчастіше працюють із кремнієм. Уже використовуються кремнієві нанотрубки, пористий кремній, квантові точки на основі кремнію й германію.

Проте для надвисокочастотної електроніки на діапазони в сотні ГГц і ТГц, для створення потужної, радіаційно- й термостійкої електроніки на перший план виходять інші матеріали. Нині велику увагу приділяють карбіду кремнію, групі тринітридів — потрійним, четверним сполукам елементів групи три з азотом. Вони мають унікальні фізичні параметри, нині виконується багато проектів з цієї тематики.

— А яке місце в цій гонці посідає Росія?

— Напевно, Росію треба поставити десь наприкінці списку. Вона намагається наслідувати США, тому її програма досить «усеїдна». Росіяни організували корпорацію «Роснанотех». Туди вливають великі гроші — 150 млрд. рублів. Визначені десять пріоритетних напрямів, передусім пов’язаних із напівпровідниковими технологіями, біотехнологіями, частково інформаційними технологіями.

Показова деталь — навесні намічені позачергові вибори в РАН: переоберуть президію, президента, оберуть нових членів академії. При цьому створюється нове відділення нанотехнологій. Крім того, росіяни по відділеннях із словом «нано» (з фізики, хімії, біології тощо) оберуть ще 13 академіків і 35 членкорів за один раз! Це серйозна ознака того, що напряму приділяється найсерйозніша увага.

— Який вигляд має на цьому тлі Україна?

— Щоб говорити про наміри нашої країни всерйоз, має бути розуміння на державному рівні ролі такої програми в житті країни. Силами самої академії вирішити питання не можна. Сьогодні діє програма «Наноструктурні системи, наноматеріали й нанотехнології» під керівництвом академіка А.Шпака. Але це не ті гроші, з якими можна досягти серйозних результатів. І все ж у дослідників, залучених до цієї програми, поки що є ентузіазм і чималі досягнення.

— Які, наприклад, у вашого інституту?

— Щоб їх оцінити, досить подивитися, де публікуються результати робіт в галузі нанотехнологій. Останнім часом у нас вийшли роботи в головних фізичних журналах із високим рейтингом й імпакт-фактором. Наприклад, статтю про розробку технології вирощування самоорганізованих квантових точок опубліковано в авторитетному британському журналі «Нанотехнологія». Картинка вирощених структур, отримана методом атомно-силової мікроскопії, винесена на обкладинку часопису.

— Проте ці результати включать не в рейтинг НАНУ, а тих зарубіжних інститутів, де ці дослідження проводилися. При такому заліку академії не вибратися з 677-го місця, на якому вона нині перебуває.

— Не зовсім так. Справді, у списку авторів, крім співробітників нашого інституту, є «іноземці» з українськими прізвищами. Проте написано, що вони приїхали з Інституту фізики напівпровідників НАНУ. Тим більше, що всю вимірювальну роботу виконали в Києві, можу показати установки.

— Вірю, але якщо подивитися в підзаголовок статті, яку ви демон­струєте, поруч з авторами стоїть «університет Арканзас» і залік іде йому, а не НАНУ.

— Це, на жаль, хиби тієї системи фінансування, яку ми нині маємо. Ми змушені спиратися на сили зарубіжних університетів, тому що наша технологічна база ще доволі слабка.

От ще одна чудова робота зі створення акустичного аналога лазера, виконана в співдружності з британцями. Але ідею висунули наші теоретики — професор В.Кочелап і його співробітники. Йдеться про генератор когерентних акустичних фононів терагерцевого діапазону.

— Де можна застосувати це відкриття?

— Акустичний лазер дозволить працювати на дуже високих частотах. Із його допомогою ми можемо передати величезну щільність інформації за дуже короткий час. Я думаю, він широко застосовуватиметься в оптоелектроніці. Не дивно, що результат цих досліджень опублікували в одному з найкращих фізичних журналів світу з надзвичайно високим рейтингом — Physical Review Letters — і він потрапив, за оцінкою Американського фізичного товариства, до десятки найвагоміших досягнень за 2006 рік.

Ця робота проводилася разом із ученими з Ноттінгемського університету. Ми одержували фінансування в рамках академічної програми сто тисяч гривень на рік, тоді як урядове вливання в роботу британської команди становило близько мільйона фунтів стерлінгів.

— А коли з’явиться комерційний прилад, як ви будете ділити інтелектуальну власність і майбутні роялті?

— Думаю, що ми взагалі втратимо авторство, оскільки запатентувати й потім підтримувати патент у різних країнах ми не в змозі. Для цього потрібні величезні, за нашими мірками, фінанси.

Крім того, в нас є безліч інших важливих розробок. Так, ми розробили в Україні технологію виготовлення біоморфного (біосумісного) карбіду кремнію. Такий матеріал може широко використовуватися для трансплантатів при різних кісткових операціях, у зубопротезній справі.

Наші вироби з карбіду кремнію, отримані за досить недорогою технологією, дозволяють запропонувати доволі різноманітне застосування — як теплоізоляційні матеріали, матеріали для систем захисту реакторів, як мембрани для водневої енергетики.

У межах іншої академічної програми «Сенсорні системи для медико-екологічних і промислово-технологічних потреб» (її очолює академік Г.Єльська) є хороша розробка з ранньої діагностики онкологічних захворювань. Ми створили мініатюрний прилад, який використовує відомий фізичний ефект — поверхневий плазмонний резонанс (ППР). Ефект виявляється дуже чутливим до стану поверхні тонкої золотої пластинки, в якій лазерним променем збуджуються електромагнітні хвилі — плазмони. Підібравши відповідним чином покриття, можна, наприклад, доволі чітко за змістом крові визначити стан людини. Співробітники нашого інституту проводили дослідження в Інституті нейро­хірургії ім. А.Ромода­нова АМН України. Результати показали, що рівень зміни показників ППР периферійної крові може корелювати з клітинною щільністю гліом, відбиваючи ступінь їх злоякісності, що своєю чергою може бути використане для ранньої діагностики онкозахворювань.

— Ще недавно важко було припустити, що Інститут напівпровідників займатиметься такими речами. І ви не одні в Національній академії — нині хоч до якого інституту прийдеш, скрізь фізики та хіміки займаються медициною. Що це за мара?

— Різні галузі науки — фізика, хімія, біологія — об’єктивно сходяться на нанорівні, використовують ті самі атомно-молекулярні уявлення. Крім того, треба виживати. Наше бюджетне фінансування забезпечує тільки 60 відсотків необхідних витрат інституту. Цього ледь вистачає на зарплату. Решту ми маємо добувати самі. А нам потрібне ще й нове обладнання, яке нині дуже дороге. Зрозуміло, що ми не зможемо розвиватися далі, коли не купуватимемо сучасне технологічне, діагностичне обладнання.

Якихось 20—30 років тому інститут мав повний цикл: ми могли вирощувати кристали, плівки, працювати з кремнієм, германієм, у нас були потужні технологічні відділи. Та коли перейшли на рівень малих розмірів, знадобилися багатошарові структури зі складною архітектурою і дизайном, інше ростове обладнання. Сьогодні потрібні установки для молекулярно-променевої епітаксії, епітаксії з металорганічних сполук. Такого устаткування в нас немає, воно дуже дороге.

— Такі витрати нашій небагатій дер­жаві під силу?

— У бюджеті Києва є стаття — доходи від проведення тендерних процедур. Вона становить п’ять мільярдів гривень. А ростова установка коштує всього мільйон-півтора євро. Проте в Україні немає жодної сучасної установки!

Щоб вижити, беремо участь у різноманітних міжнародних програмах. Це дозволяє нам добувати додаткові кошти. Наші співробітники працюють у Європі, США, Японії. Це, з одного боку, дозволяє їм підвищувати кваліфікацію. З другого, вони допомагають інституту, забезпечуючи своїх колег необхідною літературою та зразками для досліджень.

Були певні надії на російсько-українську програму з нанофізики та наноелектроніки. Коли вона розпочалася, Росія дуже активно фінансувала свою частину, а Україна практично нічого не вкладала. Нині Україна начебто схаменулася і щось уклала, але тепер Росія збайдужіла до програми.

Наше майбутнє пов’язуємо з великою аспірантурою в інституті. Щороку приймаємо по 15—17 чоловік. Та в останні роки практично всі вони іногородні. На щастя, рівень освіти за межами Києва досить високий, проте слід зазначити, що в цілому підготовка вступників до аспірантури не відповідає складності завдань, які стоять перед дослідниками. Потрібна спеціальна «постуніверситетська» підготовка. У нашому інституті вже кілька років академік С.Свєчников і професор В.Кочелап читають курс лекцій для аспірантів з квантових структур, нано- і оптоелектроніки. Прийом до аспірантури великої кількості іногородніх ставить перед нами додаткове завдання: як їх забезпечити житлом?

— І звідки приїжджають аспіранти?

— З Чернівців, Тернополя, Луцька...

— Невже в Луцьку можна підготувати серйозного фізика?

— Я член ради із захисту дисертацій у Волинському університеті ім. Лесі Українки, і мені здається, що там захищаються добротні дисертації. Звичайно, є специфіка. Такі університети не могли суперничати зі столичними академічними інститутами, оскільки не було потрібної бази. Та вони знайшли вихід: зайнялися вирощуванням і дослідженням складних систем із п’ятьма-шістьма компонентами. Згодом виявилося, що такі матеріали затребувані в деяких галузях. На цьому вони роблять свою науку. У Чернівцях, наприклад, займаються вирощуванням з’єднань кадмій-телур, кадмій-ртуть-телур, які широко використовуються в приладах нічного бачення, тепловізорах.

— Дуже дивуєшся, як наш народ примудряється за таких умов ще робити потрібні речі!

— Мене теж багато чого дивує в нашій країні. Багато недолугостей на кожному кроці. Наприклад, Україна випускає танки з чудовою механікою та озброєнням, але коли їх купують індуси чи пакистанці, то відразу ж міняють навігаційне обладнання, електронну начинку — ставлять французькі системи нічного бачення тощо. Це прикро хоча б тому, що ми теж можемо робити якісну електроніку. Наприклад, НДІ «Оріон» разом із нашим інститутом розробив приймач-передавач для автомобільних радарів системи позиціонування в просторі GPS. Європа і США нині переходять на новий частотний діапазон. Вони раніше працювали на частоті 36—37 ГГц, а нині через протести екологів прийнятий новий стандарт — 78 ГГц. Однак елементної бази для такого переходу немає. А оскільки «Оріон» працював у цьому напрямі і в нього хороші заділи, то цілком можна вирішити це завдання. Якщо поставити справу на потік, де все автоматизоване, можна виготовляти виріб із прийнятною ціною. На які гроші це зробити?

— Доведеться віддати китайцям. Вони випускатимуть дешево, а ви одержите копійчане роялті.

— На жаль, це єдиний вихід за наших умов. Хоча значно краще було б організувати в нас масове виробництво і тут здешевити його...

Однак палиці в колеса нам вставляють на кожному кроці. От приміром, гроші від здавання приміщень в оренду йдуть на спецрахунок. Здавалося б, частину цих грошей можна витратити на устаткування, але зробити цього не можемо, бо нам наказують витрачати ці гроші тільки на ремонт і купівлю деяких матеріалів.

Ну а тендер — це взагалі зовсім неприйнятна система, яка зв’язує по руках і ногах, та ще й грабує. От якби Рахункова палата взялася перевірити, скільки грошей витрачено на закупівлю 20 видів товарів до введення тендерної процедури і після. З’ясувалося б, що після її введення ми можемо купити тільки десять. Решту з’їдає тендерна процедура. Запитання: навіщо це?

І все-таки в наших планах розширення діагностичного центру, який уже нині обслуговує майже всі інститути НАНУ. У центрі постійно багато замовлень, черга охочих. Створили його за рахунок академічної програми купівлі дорогого імпортного устаткування. Першого року нам удалося розширити можливості атомно-силового мікроскопа, другого — придбали чудовий триканальний рентгенівський спектрометр. З його допомогою у відділенні директора інституту члена-кореспондента НАНУ В.Мачуліна вдалося провести аналіз якості матеріалів завтовшки всього кілька атомних моношарів. Нинішнього року (не наврочити б!) ми закуповуємо мікрораманівський спектрометр. Це дуже потужний прилад. В Україні нічого подібного немає, та й у Росії є тільки один такий прилад. У нашому центрі вже працює атомно-силова мікроскопія, рентгенівська мікроскопія. А якщо буде придбаний мікрораманівський спектрометр, запустимо оптичну та електричну діагностику. Є надія, що в рамках російсько-української програми, на яку цього року виділено близько 45 мільйонів гривень, буде закуплено технологічний комплекс для вирощування епітаксіальних структур із металорганічних сполук, а до нього діагностичний комплекс. Тоді коло наших можливостей в галузі нанотехнологій і нанофізики істотно розшириться.

Один нанометр (нм) дорівнює мільярдній частині метра. Вважається, що елементи розмірами менше 100 нм — це вже галузь нанотехнологій. Аби наочніше уявити мізерність цього розміру, порівняємо його з відомими біологічними об’єктами:

товщина волосини — 50 000 нм;

еритроцит — 7 000 нм;

бактерія — 1 000 нм;

вірус — 100 нм;

товщина ДНК — 2,5 нм;

молекула аспірину — 1 нм.

Як бачимо, навіть бактерія занадто груба і велика для наносвіту, а крихітний вірус упирається в його верхню межу.