Фрагменты из монографии Ж.И. Алферова «России необходимы собственные нанотехнологии»
Жорес Алферов
Нанотехнологии – что это такое, история развития
Несколько слов о том, что такое нанотехнологии. Нано — это значит миллиардная доля, нанометр — это миллиардная доля метра. Часто любят говорить о том, что вот предыдущие десятилетия проходили под знаком микро — микронные доли метра, микроэлектроника, микротехнологии. Можно сказать, вообще говоря, что прогресс человечества определялся в значительной степени развитием тех или иных производственных технологий. И поэтому у нас существовали каменный период, бронзовый и затем железный период. Время постиндустриальное, информационных технологий часто называют кремниевым периодом. Раньше мы говорили о том, что был век пара, электричества, век атомной энергии, а сейчас мы говорим о наноразмерах. Нанометр — миллиардная доля метра или 10 ангстрем, — это несколько постоянных решеток, несколько расстояний между атомами в кристаллах. Можно восхищаться древними греками, Демокритом, который предложил атомную структуру материи.
Атомы впервые стали видеть в электронных микроскопах. Природа строит все из атомов, и когда специалисты в лабораториях, в промышленности повторяли и развивали те или иные технологические направления, они, в общем, повторяли то, что делал Бог, природа. Можно сказать, что и клетки состоят из наномашины и из таких наномашин, наноустройств устроены и многочисленные живые организмы, и человек, и всё.
Нанотехнология, как технология, — когда мы сами укладываем атом к атому и создаем принципиально новые устройства. Объекты нанотехнологий могут быть трех типов: наночастицы, величина которых по всем трем измерениям не превышает 100 нм; нановолокна, нанотрубки и нанопроволоки, у которых только два размера меньше 100 нм, а третий может быть любым; наноплёнки, у которых только толщина менее 100 нм, а длина и ширина произвольна. Кроме того, к продукции нанотехнологии относят макрообъекты со структурой, созданной путем управляемого манипулирования атомами и молекулами.
Этому в общем на самом деле несколько десятилетий — 30-40 лет примерно и, в первую очередь, это стало развиваться в той области, которая называется полупроводниковыми гетероструктурами, за развитие которых я и получил Нобелевскую премию в 2000 году. И здесь был принципиально целый ряд очень важных открытий. Один мой коллега и близкий друг, тоже нобелевский лауреат, Лио Исаки, японский ученый (он тоже много занимался гетероструктурами) как-то сказал замечательные слова, что вот наши кристаллы, гетеростуктуры, это новый вид кристаллов, которые можно назвать men made crystals . Человек, укладывая атом к атому по новым законам, создает кристаллы, материю, которых нет в природе.
И в целом можно сказать, что нанотехнологии, наноиндустрия, наноматериалы — это тот класс материалов, когда принципиально новые возникающие свойства проистекают из тех или иных физических явлений, которые появляются только вследствие малых размеров, изменения структуры материала, не имеющих аналогов в природе. В полупроводниках, в полупроводниковых гетероструктурах появились так называемые квантовые проволоки, квантовые ямы, квантовые точки.
Группа наших сотрудников несколько лет назад получила государственную премию Российской Федерации за исследование и создание структур с квантовыми точками. Эти работы получили и широкое мировое признание, мои ученики (Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов) стали членами-корреспондентами Российской академии наук, получили целый ряд международных премий.
Впервые о нанотехнологиях, выступая в палате представителей США, заявил профессор университета Райса, нобелевский лауреат Ричард Смолли. На самом деле он имел в виду естественную логику развития науки, но намеренно обратил внимание чиновников на этот термин, поскольку, как и все ученые, искал ассигнований на исследования. Он попал в точку и обеспечил будущее, где-то безбедное, а где-то достойное, ученым всего мира. Поскольку нанотехнологии стали idea fix правительств большинства развитых стран.
За нанотехнологиями, или кванторазмерными технологиями, несомненно, будущее. И это не обсуждается. И очень хорошо, что наш президент это понимает.
Действительно, это появление принципиально новых возможностей, но наука развивается постепенно, и те изменения, которые происходят революционным образом, появляются на определенных этапах. В области нанотехнологии, наноиндустрии, можно, например, назвать средства диагностики — электронную микроскопию (она была отмечена Нобелевской премией), — это глаз, который видит атомы, а палец, который чувствует их — это туннельная сканирующая микроскопия (швейцарские физики Бинден и Керор получили Нобелевскую премию в 1986 г. за создание туннельных микроскопов).
Примером принципиально новых физических явлений, которые происходят в квантовых гетерострутктурах, является и дробный квантовый Холл-эффект (Нобелевская премия 1998 г.), когда в результате исследований в квантовых ямах было показано, что коллектив электронов — это принципиально новый коллектив, который можно описать, предположив дробный заряд электронов.
Наконец, то, за что была получена Нобелевская премия мной, это полупроводниковые гетероструктуры, периодические гетероструктуры (их предложил в свое время академик Келдыш) гетероструктуры, на основе которых создана масса новых материалов. Сегодня мы умеем специально с помощью технологических методов, которые развиваем уже многие десятилетия буквально укладывать атом к атому и создавать новые материалы и приборы. Например, квантовая точка — это искусственный атом, создаваемый нами в лаборатории, свойствами которого мы можем управлять. На основе нанотехнологий появляется огромное количество принципиально новых приборов в электронике, мы стали говорить о наноэлектронике вместо микроэлектроники, в биотехнологий о новых свойствах материалов и многом другом.
Следует подеркнуть, что сравнение между атомным проектом и программой нанотехнологии не совсем павомерно, потому что атомный проект появился и в Америке, и у нас с вполне определенной целью – для создания атомной бомбы. Ее было необходимо создать, потому что иначе все результаты Второй Мировой войны могли быть ревизованы бы, и мы бы утеряли все преимущества, за которые были заплачены такие огромные жертвы.
Что касается нанотехнологии, то это нормальное развитие научных исследований. Здесь, вообще говоря, нельзя рассчитывать на то, что все сразу изменится, нужно заниматься исследованиями в данном направлении, и мы ими занимаемся – в нашей и в других лабораториях.
В нашей стране такие работы ведутся успешно, например, в Сибирском институте полупроводников РАН, в Институте физики твердого тела РАН в Черноголовке, в нашем Физико-техническом институте РАН, в научно-образовательном центре, который работает у нас в Санкт-Петербурге и во многих других лабораториях и центрах. Уровень этих исследований во многих наших группах соответствует лучшему мировому уровню.
Области возможного использования нанотехнологий
В области энергетики большие перспективы у солнечной энергетики. Сегодня мы живем конечно за счет нефти, газа, угля, атомной энергии — все это исчерпаемые источники энергии, и нефти хватит на 40 — 50 лет, газа на 60 — 70, угля — значительно больше, но при этом возникает масса экологических проблем; для обычной атомной энергетики на основе реакторов на медленных нейтронах можно рассчитывать на 100-120 лет, что касается термоядерной энергетики, то если в середине прошлого века говорили о перспективе через 20 — 30 лет, то сегодня специалисты говорят, что на первый промышленный реактор можно рассчитывать лишь в середине этого столетия.
К концу 21 века человечество придет к эффективному использованию солнечной энергии. За последние 30 лет стоимость энергии, вырабатываемой на солнечных электростанциях, уменьшилась на 30 — 45%. Если эта цифра уменьшится еще на 15%, можно будет говорить о переходе на эту форму получения энергии. СССР была лидером по термоядерным исследованиям. По-видимому, к концу 21 века термоядерные реакторы будут применяться для выработки энергии. Но необходимо развивать и обычную ядерную энергетику. Атомные электростанции – нормальный путь решения энергетических проблем.
Конечно, ядерная энергетика опасна в отношении последствий аварии. В то же время, эти разработки отличаются высокой надежностью. Например, реакторы типа РБМК, производство которых было налажено в рамках военной промышленности, работают с 1948 года. И ни одной существенной аварии на них не было. Что касается опасений по поводу повторения аварии на Чернобыльской АЭС, то в ней, отметил ученый, роль сыграл человеческий фактор. В Белоруссии построили бы новую атомную станцию, если б была возможность.
У человечества на самом деле есть один неисчерпаемый источник энергии — это солнце, и от солнечной энергетики не уйти. А развитие солнечной энергетики очень тесно связано с нанотехнологиями, потому что сегодня наиболее перспективный метод преобразования солнечной энергии — это преобразование ее на основе полупроводниковых солнечных батарей.
В космосе это основной источник энергии, и если сегодня или может быть даже довольно продолжительное время основным типом солнечных батарей являются кремниевые солнечные батареи. Кремний сам по себе — материал широко распространенный, но получение монокристаллического кремния связано с большими затратами энергии. Новый тип солнечных батарей, которые используются в нашей космической энергетике уже более 30-ти лет на полупроводниковых гетероструктурах (сегодня это основной вид батарей прежде всего для наших коммуникационных спутников поскольку на геостационарной орбите, на других высоких орбитах, кстати и наша станция «Мир» работала на этих батареях), значительно более надежен и эффективнее.
Сегодня мы можем говорить о том, что полупроводниковые гетероструктуры, принципиально основанные на нанотехнологии (получение наноструктур с наперед заданными свойствами), созданы, и сегодня мы уже имеем батареи с коэффициентом полезного действия 30 — 35%, и в ближайшем будущем будем иметь и 40 — 45%. Через 2 — 3 десятилетия этот тип солнечной энергетики станет экономически сравнимым с другими типами получения энергетических мощностей. Таким образом и здесь основой являются нанотехнологии, метод получения гетероструктур, когда мы укладываем атом к атому по тем законам, которые мы считаем нужными для того, чтобы создавать новые типы man made crystals — человеком сделанных кристаллов
Еще одно перспективное направление — водородная энергетика. И здесь, нотехнологии уже начинают использоваться, проводятся серьезные научные исследования. Безусловно нанотехнологии уже играют роль и будут играть все большую роль в разработке и создании топливных элементов, в разработке различного типа мембран.
Среди тех результатов, которые планируется получить в ходе исследований — создание новых осветительных приборов на основе световых диодов и перевод примерно половины осветительных систем в стране на эти приборы, что позволили сэкономить 10% электроэнергии. Крупный шаг вперед возможен в сфере солнечной энергетики на основе конденсаторных батарей.
В области наноматериалов возможно создание самолета будущего с использованием высоко ресурсных углепластиков, а также элементной базы для молекулярных компьютеров. В области экологии возможно будет дожигать угарный газ от автомобиля даже при холодном двигателе. Колоссальных результатов планируется достичь в области диагностики различных заболеваний.
Вероятно, от каких-то отдельных разделом придется отказаться в ходу подробного рассмотрения, однако, более важной задачи в настоящее время нет.
Приоритет – фундаментальным исследованиям
На Втором Международном форуме по нанотехнологиям была впервые вручена Международная премия в области нанотехнологий RUSNANOPRIZE , учрежденная РОСНАНО. Она присуждалась в номинации "Наноэлектроника". Среди ее лауреатов — академик Леонид Келдыш (Россия), удостоенный награды за пионерские исследования полупроводниковых сверхрешеток и туннельных эффектов в полупроводниках, широко. используемых в технологиях наноэлектронных приборов, особенно — в молекулярно-лучевой эпитаксии. Второй лауреат — профессор Альфред И Чо (США), удостоенный премии за пионерские исследования и разработку технологии молекулярно-лучевой эпитаксии, в особенности — для получения наногетероструктур, их применения в наноэлектронике. Отмечена премией и компания RIBER S . A . (Франция) — за разработку оборудования для молекуллрно-лучевой эпитаксии.
Выбор лауреатов не случаен. Сверхрешетки — один из основных элементов, а туннельный эффект — одно из явлений, использующихся в современной наноэлектронике. Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — ее базовая технология. Фирма RIBER S . A . была пионером в разработке первых промышленных установок. И уже несколько десятилетий выпускает высококлассное оборудование для МЛЭ. В настоящее время ей принадлежит около 70% мирового рынка.
На примере работ лауреатов хорошо прослеживается связь между фундаментальными, прикладными исследованиями и производством. Эта связь, очевидная для исследователей и разработчиков новой техники и технологий; не всегда понятна более широкой публике.
Основополагающие теоретические работы по туннельному эффекту и сверхрешеткам были сделаны в конце 50-х — начале 60-х годов прошлого века, В начале 70-х были выполнены первые исследования по МЛЭ гетероструктур GaAs / AIGaA . И только когда технология достигла определенного уровня, стало’ возможным изготовление высококачественных сверхрешеток и других элементов квантовых устройств наноэлектроники..
В 70-х технология МПЭ начала внедряться в промышленность. С конца 70-х компания RIBER начала поставлять установки МПЭ сначала исследовательским лабораториям, е. затем — и промышленности. Примерно в это же время были разработаны первые советские установки МЛЭ и в 80-е годы было освоено их серийное производство. К сожалению, в последние десятилетия эта отрасль промышленности в России была разрушена.
Для того чтобы технология и разработки устройств наноэлектроники достигли современного уровня, потребовалась активная работа в этом направлении нескольких поколений ученых и инженеров различных специальностей, а также технологов. Таким образом, имеется неразрывная связь всей цепочки "от идеи до машины". А процесс освоения новой техники и технологий может занять весьма длительное время.
Здесь уместно привести высказывание британского физика Д.Портера, что все научные исследования — прикладные, только одни приложения возникают быстро, а другие реализуются через несколько десятилетий.
Следует подчеркнуть, что цепочка, о которой шла речь, начинается с фундаментальных исследований. Их результаты лежат в, основе дальнейших разработок технологий, приборов и устройств. Поэтому фундаментальные исследования нуждаются в первостепенном внимании и поддержке.
