Измеряя в нанодиапазоне

МетрологияPRO: Как давно нанометрология получила развитие в России? Какие сложности вместе с этим появились?

Ольга Квашенкина: Нанометрология в России появилась вместе с электронными приборами, используемыми в нанотехнологиях, – ведь, как и обычным электронным приборам, им необходимы метрологические измерения.

Нанометрология в России представляет собой активно развивающуюся область науки, сосредоточенную на измерениях и исследованиях на наноуровне. Эта дисциплина охватывает широкий спектр технологий и методов, позволяющих изучать материалы и структуры с размерами в диапазоне от 1 до 100 нанометров. В стране созданы специализированные лаборатории и центры, оснащенные современным оборудованием для нанометрологических исследований: сканирующие и просвечивающие электронные микроскопы, атомно-силовые и туннельные микроскопы, ближнеполевые оптические микроскопы и другие высокоточные инструменты. С помощью этих приборов ученые работают над созданием новых материалов с уникальными характеристиками, которые могут быть использованы в различных отраслях, включая электронику, медицину и энергетику.

Сложность нанометрологии заключается в том, что сам измерительный прибор имеет ограничения по своим функциональным возможностям. Это как глаз человека, который может видеть только в определенном диапазоне световых волн, кстати, достаточно узком. Все, что выходит за рамки так называемого «видимого» диапазона, человеческий глаз уже не воспринимает, он не может видеть в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Так вот любой измерительный прибор – это своего рода «электронный глаз». То есть у него имеются некие ограничения, он что-то может «увидеть», что-то нет. Это физические ограничения. И когда мы говорим о нанометрологии, имеем в виду, что одного универсального измерительного прибора не существует, для получения полной информации об исследуемом нанообъекте необходим целый комплекс достаточно больших и дорогостоящих приборов с разными параметрами и принципами работы.

Когда мы говорим о метрологии, мы всегда говорим об эталонах. То есть метрологические измерения показывают, насколько отличается тот или иной параметр от эталона. Когда мы смотрим с помощью атомно-силового микроскопа на поверхность, например, нанопленки в лаборатории, является ли это измерение метрологическим? Хороший вопрос. Скорее нет, чем да. Потому что мы просто получаем топологию поверхности и дальше делаем какие-то определенные выводы. Но мы не сравниваем ни с каким эталоном, к тому же это очень громоздкий лабораторный прибор, который в целом не предназначен для каких-то системных измерений.

МетрологияPRO: Как вы оцениваете влияние наноматериалов на развитие технологий? Какие новые возможности они открывают?

Ольга Квашенкина: Не только наноматериалы, а все технологии на наноуровне – это возможность получить дополнительные параметры для электронных приборов. Почему всех так интересуют нанометры? Во-первых, это, конечно, уменьшение размеров, следовательно, удобство и портативность. Во-вторых, где-то это связано с попыткой получить приборы с такими же параметрами, как и макроприборы, но дешевле. Но, как правило, сейчас уход «в нанометр» не удешевляет, а удорожает производство.

Перспективность этого направления состоит и в том, что оно позволяет увеличить диапазоны определенных параметров для электронного оборудования – то есть придать этим приборам принципиально новые возможности. Сюда можно отнести создание огромного количества сенсорных датчиковых систем со сверхвысокой чувствительностью для медицины, информационных систем, телекоммуникационных технологий и других сфер. Так что абсолютно все наноматериалы, используемые в создании продуктов, имеют огромное значение для расширения человеческих возможностей.

МетрологияPRO: Какие приборы для проведения наноизмерений уже существуют?

Павел Габдуллин: Когда мы говорим о каких-либо наноразмерных устройствах или приборах, то в первую очередь речь идет о микроскопии. Существует стандартная, так называемая зондовая микроскопия: туннельный микроскоп, атомно-силовой микроскоп, это как раз те приборы, которые позволяют получить размерную информацию об объекте на наноуровне, с разрешением лучше, чем 1 нанометр. Разрешение может быть и меньше. Есть еще понятие «атомарное разрешение» – то есть мы можем разглядеть каждый отдельно взятый атом, размер которого составляет доли нанометра. Для этого ученые применяют единицу измерения ангстрем. Ангстрем – это 0,1 нанометра. Размер атома – это единицы ангстрем. Современные микроскопы позволяют этот размер увидеть.

Сейчас мы уже умеем видеть отдельно взятый атом, этого достаточно, потому что «разбирать» атомы на составляющие и делать из этих составляющих другие атомы пока еще никто не умеет. Следовательно, смотреть на объект с разрешением менее атомарного пока не имеет практического смысла. Но если мы можем рассмотреть один атом из сотен и тысяч атомов, такого разрешения хватает для большинства практических применений.

Интересно и то, что при работе с наноразмерами проявляются законы квантовой физики. Грубо говоря, если мы начинаем уменьшать размеры какого-либо объекта из металла до размеров менее 100 нм, он перестает быть металлом: перестает проводить электрический ток, изменяются и другие его фундаментальные физические свойства.

И когда ученые и технологи создают наноразмерное устройство, работающее не по классическим физическим законам, зачастую им даже не нужно иметь оборудование с разрешением в один атом. Тех измерительных приборов, которые сейчас существуют, в принципе, достаточно.

МетрологияPRO: В каких отраслях нанометрология находит наиболее широкое применение?

Павел Габдуллин: Во-первых, это, конечно, электроника. Сейчас люди научились делать настолько маленькие электронные приборы, например, стандартный транзистор, что еще дальше уменьшать его уже нельзя, так как из-за измененных физических параметров он перестает работать. Нужно развиваться дальше – уменьшать элементарные «кирпичики», из которых производится электроника, поэтому сейчас активно развивается такая отрасль, как наноэлектронные устройства.

Если говорить об успешных проектах, есть очень хороший пример, сделанный с использованием последних достижений нанонауки: тонкие нанометровые пленки, на основе которых можно создать устройство, аномально чувствительное к внешнему магнитному полю. Есть такое понятие «гигантское магнитосопротивление» (ГМС). За это открытие Альбер Ферт и Петер Грюнберг были удостоены Нобелевской премии по физике в 2007 году. Прибор, в основе которого лежит гигантское магнитосопротивление, – это в чистом виде наноразмерное устройство. Это устройство работает по абсолютно новым принципам, поэтому оно такое чувствительное к магнитному полю. К чему я веду? К практическому применению. На сегодняшний день уже серийно изготавливаются микросхемы с использованием встроенных датчиков, работающих на основе ГМС . Сейчас ученые планируют встроить такую микросхему в каждый смартфон, что позволит определять стороны света и служить для пользователя электронным компасом.

МетрологияPRO: С какими основными вызовами в наноизмерениях сталкиваются ученые на сегодняшний день?

Павел Габдуллин: Самый большой вызов, на мой взгляд, это скорость. Потому что если мы начнем строить «домик» размером хотя бы с кубический микрометр (а такой «домик» невооруженным взглядом и не разглядеть!) из отдельно взятых атомов, размер каждого из которых составляет один нанометр, то таких атомов потребуется миллиард. Если мы на каждый атом будем тратить хотя бы одну секунду, то на перемещение миллиарда атомов потребуется более тридцати лет! Поэтому надо научиться делать это очень быстро, точно и прогнозируемо. В этом и заключается на самом деле глубокая противоречивость закономерностей нанонаук. Есть принципиальная возможность манипулировать очень маленькими кирпичиками, но количество этих кирпичиков настолько большое, что стандартные технологии строительства потребуют тысячи лет на построение даже не дома, а только его фундамента!

Очень интересно изучать этот «глубокий мир», и этих маленьких объектов в реальном мире уже очень много. Советую прочитать статью великого физика Ричарда Фейнмана о проблемах наномасштаба «Там, внизу, полно места», выпущенную им в уже довольно далеком 1959 году.

Так как развитие электроники связано с созданием новых наноустройств, работающих на других физических принципах, нам следует сконцентрироваться на создании стандартных электронных устройств наноразмера, которые выдают такие же результаты, как и их «большие братья».