Доктор технических наук Виктор БЫКОВ, генеральный директор компании "Нанотехнология-МДТ", (Зеленоград, Москва)

В конце XX в. наметились два магистральных пути развития исследований: "большого" - космоса и "малого" - материи на уровне отдельных атомов и молекул. Прогресс в последнем направлении, связанный с умением изучать, манипулировать и изменять в лучшую сторону нанометровые объекты, обычно имеют в виду, когда говорят о нанотехнологиях. Это модное нынче слово ассоциируется с огромными инвестициями и транснациональными корпорациями. Но, оказывается, и частный бизнес может быть успешным в данной области. Так, компания "Нанотехнология-МДТ" ("НТ-МДТ"), начавшая в 1989 г. с разработок сканирующих туннельных микроскопов, сегодня производит уже четыре модельных ряда сложного измерительного оборудования, позволяющего делать принципиально новые шаги практически во всех областях нанотехнологий. Однако стратегическими, с точки зрения ее специалистов, являются микроэлектроника, новые материалы, биотехнологии и биоинженерия.

КОНСТРУКТОР В НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Тенденции в микроэлектронной промышленности подводят нас к важному выводу: гигантское производство компонентов, в основе которого традиционно лежит человеческий конвейер, должно остаться в прошлом. Фабрика XXI в. - это полностью автоматизированный комплекс, где в замкнутом и ограниченном пространстве совмещены и взаимно организованы производственные мощности, необходимые для создания электронных элементов, технологические возможности для придания им любых заранее заданных свойств, а также приборы и установки контроля качества и тестирования полученных микро- и наноэлектронных изделий.

Именно для этих целей наша компания разработала и ввела в 2006 г. в эксплуатацию высоковакуумный комплекс НаноФаб, давший старт принципиально новому направлению в производстве научного оборудования для наноиндустрии. Это - многокамерная установка, транспортная система которой автоматически перемещает образец в заданной последовательности в поле действия устройств, предназначенных для локальной и групповой обработки методами фокусированных ионных пучков, атомно-силовой и электронной микроскопии, молекулярно-лучевой эпитаксии*, плазменного напыления, химического осаждения паров и т.п. Словом, она позволяет реализовывать практически все известные сегодня атомарно-прецизионные технологии. На входе мы имеем пластину кремния, на выходе - готовый наноэлектронный продукт.

Закономерен вопрос: "Неужели раньше никто не делал таких приборов, если они так необходимы?" Конечно, делали. Существует более полусотни методических подходов для создания и исследования наноструктур. Для большинства из них есть образцы промышленного оборудования. Однако НаноФаб принципиально отличается от аналогов по любому из этих направлений. Впервые в едином комплексе объединили так много технологических циклов, через которые проходит один и тот же образец. Разные модули соединены общей транспортной системой. Ее технические характеристики (прежде всего точность репозиционирования образца при переносе из одной системы в другую) действительно не имеют аналогов в мировой практике. Это и делает систему уникальной.

Далее. Платформа НаноФаб концептуально приспособлена для интеграции самых современных модулей, работающих на ту или иную технологию. Промышленное оборудование для наноэлектроники последнего поколения запретили к экспорту из большинства развитых стран. Однако производители готовы поставлять отдельные составляющие. Мы можем закупать самые современные и передовые узлы и комплектовать на их основе функциональные научно-производственные комплексы.

Сейчас компания разработала второе поколение данного оборудования, объединяющего модули сначала в кластеры (группы однородных элементов), а затем - в общий комплекс. Это дает гораздо больше свободы в настройке системы под конкретную задачу (легче заменять или добавлять компоненты), а также позволяет выполнять несколько разных технологических циклов одновременно, в параллельном режиме, что существенно увеличивает производительность системы. В сентябре 2008 г. в Таганрогском технологическом институте Южного федерального университета запущен НаноФаб-100 - первый серийный представитель данного вида продукции.

НАНОМАТЕРИАЛЫ: ИСКУССТВО СОВМЕЩАТЬ НЕСОВМЕСТИМОЕ

Создание новых материалов - по сути, искусство совмещать несовместимое. Их надо сделать легкими, как пух, и в то же время прочными, как сталь. Им сле-

* Эпитаксия - закономерное нарастание одного кристаллического материала на другой, или ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (прим. ред.).

дует придать одновременно эластичность пластика и электропроводность металла. Словом, парадоксальных требований, предъявляемых к ним, много, но есть несколько объединяющих моментов.

Во-первых, для создания композитов нужно изучать особенности материи на наноуровне. Наиболее универсальный и в то же время самый информативный инструмент для этого - сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ)*. Как и электронный, он позволяет исследовать объекты в масштабе нанометров. Однако в отличие от второго первый дает численную информацию о топографии объекта и, кроме того, может характеризовать (количественно!) электрические, магнитные и даже некоторые химические свойства образца. Вот почему разработка и совершенствование оборудования для СЗМ - одна из стратегических целей нашей компании.

Во-вторых, многообразие сред и условий (высокие или низкие температуры, агрессивные жидкости или газы, вакуум), в которых нужно изучать те или иные материалы, ставят перед специалистами дополнительные задачи. Но сейчас они решены. Выпущенная нами в 2004 г., в том числе и на международный рынок, линия нанолабораторий ИНТЕГРА - новейшее поколение исследовательских зондовых микроскопов - вобрала уникальные инженерные решения и фактически установила новый стандарт качества измерений образца в контролируемых внешних условиях. Только один пример. Известно, что при нагревании разные материалы расширяются неодинаково. При изменении температуры каждый исследователь сталкивается с дрейфом - относительным смещением зонда и образца из-за неравномерного расширения деталей прибора. Это ведет к ухудшению качества изображения, во избежание чего центральная часть предложенного нами микроскопа модельной линии ИНТЕГРА Терма сделана радиально симметричной. Система термостабилизации обеспечивает эффект, компенсирующий деформацию элементов крепления образца и зонда относительно друг друга. При этом они могут смещаться, но сонаправленно, т.е. зонд относительно образца всегда остается практически неподвижным. И таких оригинальных решений много. Пока в мире ни одна компания-изготовитель не обеспечила столь высокую стабильность долгосрочных измерений, как ИНТЕГРА Терма.

Наконец, третий исключительно важный фактор развития индустрии новых материалов - автоматизация. Представим себе пластик, состоящий из пяти разных полимерных соединений. Очевидно, свойства конечного материала будут зависеть от соотношения этих компонентов в смеси и условий получения каждого из них. Значит, чтобы выбрать материал с нужными характеристиками, необходимо протестировать несколько тысяч образцов. Специально для такой трудной работы мы создали систему ИНТЕГРА Максимус, которая в автоматическом режиме тестирует большие массивы микрообразцов методами зондовой микроскопии. В результате процесс отбора желаемой комбинации свойств сокращается в сотни и тысячи раз.

СБЛИЖЕНИЕ НАНО- И БИОТЕХНОЛОГИЙ

Традиционно исследования в области нано- и биотехнологий шли независимо друг от друга. Но уже очевидно: в перспективе эти два направления неизбежно сблизятся и обогатят друг друга. Скажем, российские и зарубежные биологические лаборатории давно используют сканирующий зондовый микроскоп как уникальный инструмент наблюдения за живой мате-

* См.: В. Быков. Микроскоп... рассматривающий атомы. - Наука в России, 2000, N 4 (прим. ред.).

рией в диапазоне от клетки до молекулы. Однако это только верхушка айсберга. Данная техника открывает колоссальные перспективы в этой области. Например, нанолаборатория ИНТЕГРА Спектра позволяет обнаруживать единичные молекулы, проводить спектральные исследования, включая определение химического состава вещества, с разрешением до 50 нм (самые лучшие оптические методы сегодня ограничены пределом дифракции, т.е. разрешением до 200 нм) и осуществлять механические и химические манипуляции над ними. Это стало возможным благодаря интеграции сканирующего зондового микроскопа с конфокальным* оптическим. Зонд первого при определенных условиях обеспечивает колоссальное (на несколько порядков величины) усиление сигнала комбинационного рассеяния. Однако эффект проявляется лишь в непосредственной близости от его острия. Если сканировать образец одновременно сфокусированным лучом лазера и зондом, то большая часть сигнала приходит именно из-под последнего, а сигналом из остальной части светового пятна можно пренебречь. Такое решение и позволило обойти принципиальное ограничение, которое накладывает на все оптические методы исследования волновая природа света.

Технические особенности приборов данного класса приближают исследователя, работающего на молекулярном уровне, к возможности вносить точечные изменения в геном движением курсора мыши на мониторе управляющего компьютера. Это поднимает много вопросов этического характера (ответственности ученых и правового регулирования подобных экспериментов), однако технические предпосылки уже существуют.

Другое чрезвычайно перспективное направление для сотрудничества инженеров и биологов - нанохирургия. Высококачественные оптические приборы помогают врачам виртуозно осуществлять миниатюрные операции в разных органах человеческого тела, а нано-

* Конфокальный микроскоп отличается от классического оптического микроскопа тем, что в каждый момент времени регистрируется изображение одной точки объекта, а полноценное изображение строится путем сканирования - движения образца или перестройки оптической системы (прим. ред.).

технологические - выполнять прецизионные манипуляции внутри отдельной живой клетки. Уже сегодня на базе нанолаборатории ИНТЕГРА можно исследовать их в естественной среде. Такие работы ведут, в том числе и на нашем оборудовании, в МГУ им. М. В. Ломоносова, Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, Научно-исследовательском институте биомедицинской химии РАМН, Белгородском государственном университете. Среди зарубежных центров можно назвать University of Toronto (Канада), Tel-Aviv University (Израиль), Kansai University (Япония), University of Surrey (Великобритания) и многие другие. Однако потенциал имеющихся здесь возможностей далеко не раскрыт.

ПЕРСПЕКТИВА РАЗВИТИЯ -УСЛОЖНЕНИЕ ИЛИ УПРОЩЕНИЕ?

Закономерен вопрос: куда устремлен вектор развития инструментов для нанотехнологий вообще и оборудования "НТ-МДТ" в частности, какими будут они через 15 - 20 лет?

Наша компания выделяет три направления развития. Первый - возможность интеграции с другими, отличными от сканирующей зондовой микроскопии, исследовательскими подходами, совмещение далеких друг от друга устройств в едином комплексе для получения максимума информации при изучении одного и того же образца. Концептуально именно так мы разрабатывали платформу нанолаборатории ИНТЕГРА. Идея состояла в том, чтобы соединить сканирующий зондовый микроскоп как многофункциональный инструмент с другими методическими подходами, уточняющими и дополняющими информацию, полученную с его помощью. Кроме уже упоминавшейся спектроскопии комбинационного рассеяния со сверхвысоким пространственным разрешением, к прорывным находкам на пути интеграции можно отнести СЗМ-томографию. Из объединения сканирующего зондового микроскопа с ультрамикротомом (устройством, позволяющим срезать слои образца толщиной до 10 нм) мы получили прибор, способный буквально "заглянуть внутрь объекта". Речь идет о трехмерной реконструкции распределения механических, электрических, магнитных и других неоднородностей в объеме образца. Сканирующая зондовая микроскопия дает двумерную "картинку" некоей области, удаляет тонкий срез ультрамикротом, и этот цикл повторяется необходимое количество раз. В результате исследователь получает массив двумерных изображений, при этом известно расстояние между ними в исходном образце (толщина среза). Он реконструируется в компьютерную модель трехмерного распределения интересующей характеристики.

Второй принципиально важный путь развития продиктован адаптацией сложных приборов к возможностям его пользователей. Дело в том, что с каждым годом научное оборудование наращивает свою многофункциональность. Это расширяет поле зрения исследователя, но вместе с тем предъявляет к нему более высокие требования. Отсюда - необходимость повышения квалификации оператора, увеличение порога обучения новых людей. Именно поэтому простота настроек, облегченный "старт" для новичка - веление времени и один из важных критериев оценки качества научного оборудования в будущем.

Однако следует различать упрощение самого оборудования (уменьшение его возможностей) и способов работы с ним. Например, компания "НТ-МДТ" разработала прибор NanoEducator для практических учебных занятий в области нанотехнологий. Он действительно прост и предельно надежен в эксплуатации. Однако эти качества достигнуты ценой сужения спектра функциональных возможностей, поэтому в серьезных научных исследованиях его не применяют.

Иное дело - наша новейшая разработка Solver NEXT, совмещающая простоту и исключительную многофункциональность за счет максимальной автоматизации внутренних настроек. Человек нажимает кнопку, и прибор активирует сложный алгоритм самодиагностики, распознавания узлов, его моторы подстраивают отдельные компоненты друг к другу, готовя систему к работе. Оператору остается установить образец, зонд, выбрать желаемый режим измерений и получить результат. Заметим, в программном обеспечении заложена возможность отключить автопилот и настраивать узлы вручную. Это сложно, долго, но позволяет нацелить систему для выполнения узкоспециальных задач и добиться при их решении предельных технических характеристик.

Третье магистральное направление связано с расширением горизонтов и освоением принципиально новых исследовательских подходов. Один характерный пример. Ученые давно поняли уникальные свойства синхротронного излучения (впервые пучок вывели из электронного накопителя в новосибирском Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО АН СССР в июле 1973 г.*), однако возможности его использования в научных целях до сих пор были ограничены. Сегодня ситуация меняется. Наша компания совместно с РНЦ "Курчатовский институт", где в конце 1990-х годов вышел на проектные параметры источник синхротронного излучения второго поколения "Сибирь-2", разрабатывает установку, способную совместить мощный арсенал НаноФаб-100 с ускорительно-накопительным комплексом. Реализация указанного проекта позволит выйти на новый уровень предельных размеров при разработке наноэлектронных элементов. Кроме практических приложений, это направление сулит немало фундаментальных открытий.

Мы видим и другие горизонты. Да, создание специализированного оборудования для генного картирования и генетической диагностики, разработка подходов для использования позитронной томографии - перспективы не ближайшие, но вполне реальные (современный уровень развития фундаментальных исследований подводит нас к этому). Задача разработчиков научного оборудования заключается в том, чтобы взять все лучшее из разных областей знаний и сделать его максимально доступным широкому кругу исследователей.

Изобретение в XVII в. оптических приборов - телескопа и микроскопа - разделило интересы людей науки. Часть из них посвятила себя изучению гигантских масштабов космоса, другая - обратила свои взоры в микромир. Но сегодня на примере нашей компании можно сказать: два фундаментальных пути человечества в познании мира снова объединяются. Это стало возможным благодаря нанотехнологии - одному из самых современных и бурно развивающихся направлений в науке.

Материал иллюстрирован фотоработами, представленными на конкурс "Наука - это красиво!", объявленный изданием STRF.ru, генеральным спонсором которого является компания "НТ-МДТ"

* См.: А. Скринский. Познание материи. - Наука в России, 2007, N 6 (прим. ред.).

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: