Продолжение интервью с главным менеджером по нанотехнологиям IBM, Фаэдона Авуриса, где обсуждаются фотодетекторы, высокочастотная электроника, нанотрубки и высказаны интересные мысли о состоянии вещей в нано- и науке. (читать первую часть интервью).
Часть вторая.
Пол Вейсс: Ты обмолвился о трудностях с созданием пассивных элементов.
Фаэдон Авурис: Да, на данный момент, если вы используете графен как подложку, то необходимо разработать технологию нанесения пассивных элементов. Это не кремний, к графену ничего не прицепить, иначе нарушите πи связи.
Еще мы занимаемся изучением температурных режимов, что представляет собой серьезную проблему. В коммерческих устройствах, тепло, производимое пропусканием тока, рассеивается благодаря фононам. Кремний связан с оксидом и тепло перемещается с одного типа связи на другой. Но в графене, нанотрубках и молекулах нет ковалентных связей, а есть Ван-дер-Ваальсовые взаимодействия и большие дистанции. Ван-дер-Ваальсовы фононы низкочастотны, так что отсутствует возможность эффективно преобразовать один "большой" фонон во множество маленьких. Выходит что устройства из молекул, графена и нанотрубок нагреваются, что и ограничивает их производительность. Необходимо найти пути отвода энергии, чем мы сейчас и занимаемся. То что мы обнаружили в эксперименте на самом деле гораздо лучше, чем можно было ожидать. Мы занимаемся изученим нетрадиционных механизмов транспорта тепла, например, через взаимодействие c фононами-поляритонами поверхности [47]. Этот подход не нов и уже обсуждались в прошлом, в другом контексте. Например, как теряет энергию электрон, если он быстро приближается к поверхности. Джерри Махан это обсуждал [48]. Электрон не проходит сквозь поле устройства, из-за толщины самого устройства. Поля, образованные на полярных поверхностях, затухают экспоненциально, по направлению от поверхности. Но графен, нанотрубки, молекулы - они сама поверхность. Они взаимодействуют с этими полями и рассеивают энергию. Ну что тут сказать об актуальности наших работ в этом направлении. В результате может получиться улучшенный способ диссипации тепла. Контроль тепла на наноуровне - еще одна область, где нам есть чему научиться. Применения могут быть самыми широкими - в сенсорах, биомолекулярных устройствах и, конечно, в электронике.
ПВ:В последнее время ты достиг успехов в быстрых широкополосных фотодетекторах на основе графена. Можешь рассказать поподробнее?
ФА: Те же причины по которым графен идеален для быстрых устройств, делают его оптимальным для фотоники. Графен очень хорошо поглощает свет. Мы говорим, что он прозрачен, но на самом деле, если подумать, то один атомный слой графена поглощает 2,3% падающего излучения любой длины волны, с практически постоянной эффективностью. Этот материал уникален. Чтобы получить такие характеристики на материалах используемых в фотонике, например InGaAs, то, если я правильно помню, для 2% поглощения требуется около 200-ангстрем толщины.
Графен - это сильно взаимодействующая система для света, в которой быстро движутся носители. В принципе, электроны и дырки очень подвижны, в отличие от III-V материалов. Ключевая проблема здесь та, что графен, будучи полуметаллом, обладает очень быстрой рекомбинацией носителей. Действительно, мы не видим люминесценции в графене. Если возбуждать основной объем графена, то ничего не происходит. Если приложить потенциал, то виден фототок, но на фоне огромного темнового тока. Эти наблюдения лишили людей мотивации изучать фотонику графена. Исследуя контакты, мы заметили, что можем генерировать фототок используя SNOM (scanning near-field optical microscopy), если мы возбуждаем вблизи контактов [39]. Это происходит потому, что пара электрон-дырка разделены электрическим полем изгиба зон. Такое явление мы можем использовать для фототока и фотодетекции. Кроме того, мы получили очень быстрый фотоотклик, такой же быстрый, как и любая измерительная система у нас здесь, в IBM.
ПВ: Каковы пределы?
ФА: Одно из ограничений - необходимость возбуждения только одного контакта, скажем, близкого к контакту источника (source) [49]. Потому что если возбуждать контакт близкий к стоку (drain), то возникшее электрическое поле будет противоположным. Теперь, если осветить все устройство, то чистого фототока не получить вообще. Таким образом имеем ограничительное условие. Конечно, вы можете замаскировать один из контактов, но для нас это не решение. Мы также хотим повысить эффективность, для чего необходимо увеличить площадь устройства. Недавно мы тестировали другой подход (Рисунок 3). Используя гребенчатые электроды (interdigitated electrodes) изготовленные из двух различных металлов - один метал с высокой, а другой с низкой работой выхода (например, титан и паладдий) - можно добиться ассиметричного изгиба зон. То есть, создать наклонный профиль потенциала между контактами. Это очень хорошо работает. В результате мы увеличили выходной сигнал на 1300% и смогли производить и детектировать оптические потоки данных. Максимум, который мы смогли достичь - десять гигабит в секунду [50].
ПВ: Можешь что-нибудь рассказать о разделении нанотрубок?
ФА: Мы уже видели множество достижений в области разделения нанотрубок. Я над этим работаю вместе с Марком Херсамом. Мы используем его нанотрубки [51], и разделяем их не по хиральности, а по типу (электронной структуры - прим. пер.) [52-54].
Некоторые нанотрубки мы используем для измерений на высокой частоте. И чтобы сделать гибкую высокочастотную электронику мы изготавливаем массивы нанотрубок. Я очень рад тем 99+% контроля, которых достиг в этом направлении Марк. Но это еще не оптимальное решение. Для изготовления высокотехнологичных устройств требуются нанотрубки которые идентичны друг другу, и это стало бы огромным шагом вперед. Я слышал, что имеются разные методы разделения, которые также дают очень хорошие результаты. Они конечно придают стимул, но не уверен, что на их основе будет легко создать целую технологию. Во-первых, низкий выход. Во-вторых, нанотрубки и графен не растворимы. Чтобы их растворить необходимо использовать добавки, которые потом очень трудно удалить, и можно надолго со всем этим застрять.
Я не могу предсказать, что случится в будущем, но пока решения этой проблемы нет и, думаю, люди это понимают. В настоящее время эксперименты становятся все сложней и сложней, и мы все ближе и ближе к работе с четко охарактеризованными системами, но это еще далеко не технология.
ПВ: Возможно ли предсказать, как далеко зайдут технологии в будущем, чтобы сравнить их с нашими текущими исследованиями и вовремя сменить курс?
ФА: Прикинуть куда зайдет технология? Мы не знаем! Мы создаем базу знаний, чтобы люди заимствовали оттуда и развивали уже свои идеи о том, что будет необходимо в будущем. Мы не можем предсказать, что нам понадобится. Например, несколько лет назад у не было мыслей о необходимости фотоэлектрической энергии или зеленой химии.
Наши потребности, или предполагаемые потребности, развиваются как функция времени. Кто знал, что транзистор, который предназначался для слуховых аппаратов и телефонов, найдет все свои нынешние применения? Вы не работаете над чем-то ради решения конкретной проблемы, вы занимаетесь этим, чтобы понять потенциал. У вас есть определенные идеи и, если вы работаете в IBM, пытаетесь использовать их в электронике. Но эти же идеи могут найти применение в других областях, как знать.
ПВ: Есть ли в IBM возможность заниматься чем-то другим кроме электроники?
ФА: Не знаю, будет ли IBM интересен выпуск какого-то конкретного продукта. IBM также может продать интеллектуальную собственность другой заинтересованной компании.
ПВ:Расскажи об эволюции твоих усилий в науке?
ФА: Работа сильно изменилась с того времени, когда у вас была маленькая лаборатория и вы работали с одним инструментом, скажем, СТМ, куда помещали образец и меряли зависимость одного параметра от другого и третьего, от температуры, поля и так далее. Сейчас, по крайней мере в моей области, все стало намного сложнее. Оборудование рассеяно повсюду и изготовление образца составляет 99% всей работы. Используются всевозможные техники нанесения и точного расположения, разные виды электрических схем и анализа, высокочастотные измерения - все это распределено по различным лабораториям, официально принадлежащим разным людям. Когда ты это показываешь, описание 99% всех усилий укладывается всего в несколько строк статьи.
Дальше вы идете и проводите измерение, готовите несколько графиков и долгое время пытаетесь понять, что они означают. Распределение усилий в наши дни сильно отличается от работы в прошлом, когда был только один человек, одна комната, и, как правило, одна единица оборудования. "Старый" стиль работы требует больше времени и намного больших усилий чтобы достичь цели. Думаю, небольшим группам в небольших местах очень трудно вносить существенный вклад, который бы имел какие-то последствия. По этой причине вы наблюдаете появление междисциплинарных центров и сотрудничества крупных исследовательских групп в университетах. Делать науку в маленьком масштабе становится все трудней и трудней. Она не пропала, нет, и может быть успешной, если люди изобретательны, но стало тяжелее работать и находить поддержку.
ПВ: Как со временем изменилась корпоративная и промышленная наука?
ФА: И тут все меняется, как и везде. Думаю, с точки зрения исследований в промышленности, стало понятно, что невозможно охватить все, поэтому мы стали больше зависеть от вклада университетов. Меня беспокоит одна вещь. Люди в университетах не знают многого о технологиях. В прошлом, Bell Labs, IBM и некоторые другие компании выпускали, сеяли так сказать, новых исследователей для академии, исследователей которые представляли требования и границы технологий. Сейчас эти люди стареют и выходят на пенсию. Если промышленные исследования приостановятся, я боюсь, мы потеряем что-то важное.
ПВ: Почему тебе нравится нанонаука?
ФА: Нанонаука является смесью всего. Независимо от того, где ты в ней находишься, ты должен знать химию, физику, электронику, электротехнику или биологию.
Прежде всего меня мотивирует изучение новых вещей. Это требует, чтобы я разбирался во многих научных областях и, думаю, это захватывающе! От этого выигрывают все дисциплины, поскольку нанонаука, привнося общие методы исследований (литография, различные способы визуализации), соединяет физику, химию, инженерное дело, медицину, биологию, что угодно, позволяя совместить общее и обменяться идеями из разных областей [55].
Физика предоставляет новые принципы, наука о материалах и химия - новые материалы и системы, другие области привносят архитектуру. Вкупе это приумножает. Нанонаука предлагает по-новому взглянуть на науку как на нечто единое целое, не разобщенное, без барьеров и строгого разделения на области. Надеюсь, подобные проекты продолжатся. Мы имеем прообраз, как в старые времена, когда были ученые, которые знали все. Люди меня спрашивают - что мне делать, где учиться на специалиста в нанонауке? - Читайте свои книжки по физике, химии, все остальные и, будьте уверены, что вы сосредоточены на изучении основ. Старайтесь понимать.
Вот это мне и нравится в нанонауке, помимо перспективы новых продуктов. Последние тоже появятся. Из-за того, что мы столько всего наобещали, мы, вероятно, отстаем c выпуском продукции. Тут есть опасность - мы должны следить за шумихой вокруг. Возможно, такая шумиха возникла не по вине ученых, а от журналистов и тому подобному, но это ранит. В результате люди ждут чудес, а чудеса не происходят. Готовая технология не за углом, на ее развитие уходит очень много времени.
Благодарности: Пол Вейсс благодарит Холли Бунжи (Holly Bunje) и Хизер Терни (Heather Tierney) за помощь в организации этого интервью и IBM за поддержку визита в Watson Research Center.
Ссылки:
47. Rotkin, S. V.; Perebeinos, V.; Petrov, A. G.; Avouris, Ph. An Essential Mechanism of Heat Dissipation in Carbon Nanotube Electronics Nano Lett. 2009, 9, 1850– 1855;
48. Mahan, G. D. Theory of Surface Polaritons and Image Potentials in Polar Crystals Phys. Rev. B 2010, 81, 195318;
49. Mueller, T.; Xia, F.; Freitag, M.; Tsang, J. C.; Avouris, Ph. Role of Contacts in Graphene Transistors: A Scanning Photocurrent Study Phys. Rev. B 2009, 79, 245430;
50. Mueller, T.; Xia, F. N. A.; Avouris, Ph. Graphene Photodetectors for High-Speed Optical Communications Nat. Photonics 2010, 4, 297– 301;
51. Engel, M.; Small, J. P.; Steiner, M.; Freitag, M.; Green, A. A.; Hersam, M. C.; Avouris, Ph. Thin Film Nanotube Transistors Based on Self-Assembled, Aligned, Semiconducting Carbon Nanotube Arrays ACS Nano 2008, 2, 2445– 2452;
52. Arnold, M. S.; Suntivich, J.; Stupp, S. I.; Hersam, M. C. Hydrodynamic Characterization of Surfactant Encapsulated Carbon Nanotubes Using an Analytical Ultracentrifuge ACS Nano 2008, 2, 2291– 2300;
53. Kalbac, M.; Green, A. A.; Hersam, M. C.; Kavan, L. Tuning of Sorted Double-Walled Carbon Nanotubes by Electrochemical Charging ACS Nano 2010, 4, 459– 469;
54. Antaris, A. L.; Seo, J.-W. T.; Green, A. A.; Hersam, M. C. Sorting Single-Walled Carbon Nanotubes by Electronic Type Using Nonionic, Biocompatible Block Copolymers ACS Nano 2010, 4, 4725– 4732;
55. Buriak, J. M. A Quiet Revolution ACS Nano 2009, 3, 3335– 3336;
ПереводДмитрий Баранов
