Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
фото с сайта sciencefirsthand.ru

Физика полупроводников и нанотехнологии

Ключевые слова:  Алферов, нанотехнологии, периодика, СО РАН, физика полупроводников

Автор(ы): Ж.И. Алферов

Опубликовал(а):  Гольдт Илья

09 июня 2007

Выступление Ж.И. Алферова на международной конференции «Современные проблемы науки: сибирский аспект»

Уважаемые коллеги! В последнее время у нас в стране и во всем мире очень большое внимание уделяется вопросам нанотехнологии, наноструктур, нанофизики, нанохимиии и даже, как говорят, нанонауки. Я думаю, что все работы, которые ведутся в области наноструктур, а также развитие этих исследований связаны, прежде всего, с тем, что переход к очень малым размерам способствует возникновению целого ряда совершенно новых физических явлений, которые, в свою очередь, влекут за собой очень важные физические и технологические изменения. В физике полупроводников этот процесс, возможно, начался даже раньше, чем в других областях.

Можно сказать, что развитие полупроводниковой электроники на основе кремниевых интегральных схем с физической точки зрения, — это, по сути, то же, что было сделано в конце 40-х — начале 50-х гг.: поскольку основой является полевой и биполярный транзистор, и все главные физические явления — это те, что были изучены и исследованы уже тогда. Вместе с тем, произошли гигантские, драматические изменения, и связаны они с уменьшением размеров, а также с выполняющимся до сих пор законом Мура. Тем не менее, технология и техника литографии подошла сегодня к главному топологическому размеру интегральных схем, исчисляемому 45—60 нанометрами. Поэтому уже много лет говорится о том, что наступят принципиальные изменения, когда дальнейшее уменьшение топологического размера станет невозможным.

Но на самом деле процесс по-прежнему идет. Но я хотел бы остановиться на другом чрезвычайно важном направлении в развитии современной полупроводниковой электроники и физики. Это направление, связанное с использованием полупроводниковых гетероструктур, которые, кстати сказать, сегодня очень активно используются и в решении проблем кремниевых интегральных схем ультрамалых размеров, особенно что касается решения принципиальной проблемы мест соединений. В области физики полупроводниковых гетероструктур нанотехнология и основные физические явления, связанные с появлением малых размеров, а также принципиально новых свойств, были открыты более трех десятков лет назад.

Один из наших коллег, замечательный японский физик Лио Исаки внес в развитие этой области физики огромный конкретный вклад. Стоит заметить, что так называемые полупроводниковые сверхрешетки впервые были предложены в 62 г. (первая публикация в этой области принадлежит Л.В. Келдышу: к сожалению, он представил практически неэффективный способ получения сверхрешеток путем приложения сильных ультразвуковых полей к поверхности кристаллов). В 70 г. Лио Исаки создавал первые полупроводниковые решетки, используя уже полупроводниковые гетероструктуры. Японский ученый дал, с моей точки зрения, блестящее определение, которое, я думаю, чрезвычайно четко отражает сущность использования нанотехнологии, наноструктур в целом: он сказал о полупроводниковых гетероструктурах, что это «man made crystals», в отличие от «God made crystals».То есть это кристаллы, сделанные человеком, в отличие от кристаллов, сделанных Богом, ибо любые искусственные кристаллы, получаемые в лаборатории, — это, в конечном счете, и германий, и кремний, и полупроводниковые соединения AIIIBV, AIIBVI, и многие другие. Это кристаллы, сделанные Богом, потому что независимо от того, получены ли они в лаборатории, получены ли они в природе, — их свойства определены.

Что касается полупроводниковых гетероструктур: когда вы, в том числе и на очень малых размерах, меняете химические свойства, состав, а также принципиально меняете массу свойств, включая и энергетический спектр электронов, вы создаете материалы, которых в природе не существует, которые Бог — по тем или иным причинам — не догадался создать. И в этих кристаллах, в этих материалах вы принципиально получаете совершенно новые свойства. Это стало, вообще говоря, реальностью уже в самом конце 70-х и даже в конце 60-х гг., когда были получены первые идеальные гетероструктуры арсенид галлия и арсенид алюминия в нашей лаборатории — и это направление стало бурно развиваться.

Но потом, я думаю, произошла чрезвычайно важная вещь: когда мы в этих размерах при исследованиях полупроводниковых гетероструктур подошли к размерам, сравнимым с длиной волны электрона, тогда появилась масса новых свойств. Квантово-размерные явления стали определять свойства этих, сделанных человеком, кристаллов. И стало возможным существование тех кристаллов, которые получили название «квантовые ямы», «квантовые проволоки», а в последние десятилетия — «квантовые точки». Возникла новая физика низкоразмерных электронных систем, включая квантовые точки нуль-размерных электронных систем.

Я хотел бы подчеркнуть, что практически все достижения физики полупроводников, которые имеют отношение к развитию наноструктур ультрамалых размеров, связаны, прежде всего, с развитием технологии. Я думаю, что это чрезвычайно важно для всего понимания развития микроэлектроники, электронных технологий, информационных технологий в целом во второй половине XX в. Развитие физических исследований стало возможным по-настоящему только после того, как технология получения полупроводниковых кристаллов и материалов вышла на совершенно другой уровень.

Поскольку я вырос в Физико-техническом институте им. А.И. Иоффе, где проведение систематических полупроводниковых исследований было начато в конце 20-х — начале 30-х гг., я прекрасно знаю, как в самом начале 50-х гг. относились к нам, «полупроводниковцам», физики-ядерщики, представители других направлений. Я помню, как Анатолий Петрович Александров, когда он просил меня сделать полупроводниковое устройство для первой советской атомной лодки, говорил: «Жорес, а они работать-то будут?» Ведь считалось, что это полупроводниковая «кухня» и один образец может сильно отличаться от другого.

Ситуация кардинально изменилась после открытия транзисторов и развития германиевой и кремниевой технологии. И уже совершенно иной она была тогда, когда мы развивали исследования в области физики полупроводниковых гетероструктур. Практически все, в том числе и крупнейшие физические достижения, связаны с развитием технологии.

Если говорить о развитии нанотехнологии в этой области, то она связана, прежде всего, с разработкой трех методов эпитаксиального выращивания полупроводниковых структур. Это первый, сравнительно дешевый способ, с помощью которого удалось достичь основных принципиальных результатов, в том числе получить наноструктуры с размерами слоев, исчисляемых единицами нанометров. Это технология так называемой жидкостной эпитаксии, кристаллизации полупроводниковых структур из растворов расплавов. Химический состав растворов расплавов задается очень просто, а процесс кристаллизации является по-настоящему деликатным процессом, в котором при очень точной регулировке температур, с использованием, в том числе, и неравновесных термодинамических процессов, удавалось получать структуры с такими размерами слоев.

Но конечно, будущее связано с двумя технологическими методами. Во-первых, метода молекулярной эпитаксии, в развитие которого много было вложено и Новосибирским институтом физики полупроводников. И этот институт по сей день является одним из мощных центров развития этой технологии, признанных в мире, а также технологии, ставшей основой промышленного производства очень многих приборов, систем, массового производства светодиодов (скажем, масштабы светодиодов сегодня, в том числе и для освещения, определяются уже размерами продаж, приближающимися к 10 млрд долларов). Мощная ветвь полупроводниковой индустрии, которая будет расти все дальше и дальше и сыграет, по оценкам экспертов, к 2030 г. важную роль в смене примерно 50% освещения на лампах на светодиодах, на наноструктурах, на наногетероструктурах и сэкономит примерно 10% электроэнергии в мире. Основа этого — солнечные батареи на гетероструктурах; и уже подсчитано, что к 2030 г. суммарная мощность наземных электрических станций составит около 200 гигаватт, что заметно превышает суммарную мощность электростанций России на сегодняшний день. И здесь существенную роль играет опять же технология мосгидридной эпитаксии, и этот метод стал основой индустриального производства очень многих материалов.

Я бы хотел подчеркнуть, что наряду с развитием реальной нанотехнологии и крупномасштабным производством только на основе полупроводниковых гетероструктур, объемы продаж всех материалов сегодня составляют десятки миллиардов долларов, а влияние этой технологии в целом на развитие микроэлектроники и электронных технологий можно назвать гигантским.

Отмечу еще и следующую вещь: ценность этих направлений заключается, прежде всего, в новых физических явлениях. К примеру, такая вещь, как низкоразмерные электронные системы, стали массовыми и в промышленном производстве, и в физических исследованиях. И если, скажем, в начале 70-х гг. наши доклады на международных конференциях были единичными, то сегодня две трети (даже три четверти) докладов на полупроводниковых физических конференциях — это доклады, посвященные наногетероструктурам, физике электронных систем с низкоразмерным электронным газом. И среди новых физических явлений, которыми физика обогатилась за эти десятилетия, я бы в первую очередь назвал одно из уникальных открытий второй половины XX в. Это открытие дробного квантового холл-эффекта, сделанное Штормером и Цуи и теоретически объясненное Лохлином, ставшее возможным только благодаря наногетероструктурам, «квантовым ямам» высокого совершенства, в которых электронный газ можно было получить с уникально высокими подвижностями. Открытие этого явления при низких температурах в сверхсильных магнитных полях привело к тому, что объяснить его оказалось возможным, только предположив, что у квантовой жидкости существуют свойства, которые не существуют для отдельно взятых частиц.

Председатель комитета по физике, который представлял эту работу, отмеченную Нобелевской премией в 98 г., подчеркнул, что в ней не соблюдается правило Ландау. Дело в том, что один из принципов Ландау таков: если вы знаете свойства частиц, то на основании знания этих свойств вы можете описать и свойства ансамбля. Председатель комитета по физике сформулировал этот принцип так: 1+1=2. Но иногда это простое арифметическое правило не выполняется. В физике это, как правило, ведет к Нобелевским премиям. Это случилось и с дробным квантовым холл-эффектом, потому что оказалось, что свойства квантовой жидкости можно объяснить, только предположив, что дробные квантовые заряды у частиц, у электронов, которых реально у каждого электрона нет, есть у ансамбля (Лохлин 4 года назад говорил об этом в своей лекции под названием «Конец редукционизма», которую он читал у нас в Петербурге). И это явление, с моей точки зрения, знаковое: дробный квантовый холл-эффект, открытый в 82 г., и последовавшие за ним исследования показывают, что на самом деле и сегодня в нашей физике есть явление, которое мы не можем объяснить. Это следующий шаг и очень яркая демонстрация физики наноструктур. Вместе с тем, это яркая демонстрация успехов нанотехнологии.

Я хорошо знаю Штормера, и Цуи, и Лохлина и помню, как Штормер всегда гордился не только тем, что он открыл дробный квантовый холл-эффект, но и тем, что он является автором так называемого модуляционного лигирования гетероструктур, которое позволило получать квантовые наногетероструктуры с очень высокой подвижностью. И это пример развития нанотехнологии, которая привела к драматическим, очень ярким новым физическим явлениям и оказалась возможной только благодаря развитию физики и технологии гетероструктур «men make crystals».

Сегодня мы очень многого ждем от нанотехнологии, очень много говорим об этом (в частности, в послании президента Федеральному собранию говорилось об этом). На самом деле уже с конца 90-х гг. лозунг «Нанотехнологии» в США и в ряде других стран стал использоваться для того, чтобы получать большие средства от правительств и государств. И я думаю, чрезвычайно важно те средства, которые будут выделяться у нас, использовать для развития научных исследований технологии, диагностики в целом. И очень важно при этом понимать, что конкретные новые явления мы часто не можем предсказать, поэтому нужно предоставить очень многим лабораториям страны возможность работать с совершенными системами молекулярной мосгидридной эпитаксии, а также использовать самые современные диагностические средства — тогда, я думаю, у нас, безусловно, появится масса новых результатов; и в этом, с моей точки зрения, огромную роль играет международное научное сотрудничество.

У нас в России и в Советском Союзе подобные традиции существовали всегда. На мой взгляд, такое положение дел будет сохраняться и дальше, и в этой области нас ждут ценные неожиданные открытия. Вы понимаете, что в очень коротком пятнадцатиминутном выступлении я не могу рассказывать детально об одной из самых интересных областей физики и технологии полупроводников, которой я лично занимаюсь с 62 г. (уже 45 лет). Хотел бы подчеркнуть в сегодняшнем докладе, посвященном 50-летию одного из самых замечательных научных центров мира — Сибирского отделения Российской академии наук, — что исследования физики полупроводниковых гетероструктур мы ведем совместно начиная с 64 г. Поэтому этот центр нужно очень высоко ценить.

Я боюсь, что у меня не будет возможности так долго говорить о юбилее Сибирского отделения… Я очень рад быть здесь уже второй раз в этом году и хотел бы сказать, что Сибирское отделение, юбилей которого мы отмечаем, в мировом рейтинге научных организаций стоит на первом месте среди всех научных организаций России и обгоняет всю Российскую академию наук на 40 номеров! Поздравляю Сибирское отделение!


В статье использованы материалы: НАУКА из первых рук


Средний балл: 10.0 (голосов 3)

 


Комментарии
Сименов Иван Петрович, 11 августа 2012 16:16 
нанотехнологии, конечно, поразят нас своими возможностями как полупроводники и не только, но смотрите на что способна обычная картошка - БАТАРЕЙКА ИЗ КАРТОШКИ

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Самоорганизация в природе
Самоорганизация в природе

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.