УДК 621.3 049.77

A.Л.Асеев, чл.-корр РАН,
Институт физики полупроводников СО РАН

Наноматериалы и нанотехнологии

По материалам доклада на заседании Межфракционного депутатского объединения
"Наука и высокие технологии" в Государственной Думе РФ 26.10.2004

Кратко рассмотрено реальное положение дел в области нанотехнологий, изложены некоторые результаты по развитию наноматериалов и нанотехнологий в научных учреждениях.

Проблемы, относящиеся к созданию наноматериалов и развитию нанотехнологий, занимают в настоящее время доминирующее положение практически во всех областях современной науки и техники. Научная, научно-популярная литература и материалы интернетовских сайтов переполнены разнообразными прогнозами, зачастую фантастическими, о перспективах, открывающихся с развитием этих областей человеческой деятельности.

Нанотехнология определяется как наука и техника создания, изготовления, характеризации и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях. Наиболее образно направление работ в этой области задано высказыванием Нобелевского лауреата Р.Фейнмана: "Там, внизу, еще много места". Ключевыми в развитии нанотехнологий явились открытия последней половины XX века, связанные с квантовыми свойствами нанообъектов, разработкой полупроводниковых транзисторов и лазеров, созданием методов диагностики с атомным разрешением (электронная и сканирующая туннельная микроскопия), открытием фуллеренов, развитием геномики и биотехнологий. Многие из этих достижений отмечены Нобелевскими премиями и, что очень важно для России, среди Нобелевских лауреатов достойно представлены российские ученые ‑ академики РАН Н.Г.Басов, А.М.Прохоров, Ж.И.Алферов, B.Л.Гинзбург, А.А.Абрикосов.

Объем финансирования работ в области нанотехнологий в мире в 2004 г. оценивается в размере 8,6 млрд долл. США (в 2003 г. ‑ 7,5 млрд долл США):

· в США правительственная поддержка составила 1,6 млрд долл. США, финансирование компаниями ‑ 1,7 млрд долл США;

· в странах Европы правительственная поддержка ‑ 1,3 млрд долл. США, финансирование компаниями ‑ 0,7 млрд долл. США;

· в странах Азии правительственная поддержка ‑ 1,6 млрд долл. США, финансирование компаниями ‑ 1,4 млрд долл. США.

Число зарегистрированных патентов в области нанотехнологий с 1976 г. составило 88546, из них 64% принадлежат США. Ожидается, что к 2015 г. мировой рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит 1 триллион долл. США. Расходы России на поддержку и развитие работ в области наноматериалов и нанотехнологий по различным каналам (Минпромэнерго, Минобрнауки, РАН, РФФИ и др.) можно оценить в размере нескольких десятков миллионов долларов США, что значительно уступает расходам развитых стран и делает невозможным полноценное участие России в патентовании получаемых результатов. Тем самым значительно ограничиваются возможности России в предстоящей масштабной коммерциализации результатов научных исследований.

Принципиально новые свойства наноматериалов связаны, в первую очередь, с квантованием энергетического спектра квазичастиц в нанообъектах и структурах пониженной размерности, что наиболее ярко проявляется в фундаментальном изменении свойств полупроводников, магнетиков, органических и углеродных материалов, молекулярных ансамблей. Многие из кардинально отличных свойств наноматериалов по отношению к объемным материалам того же химического состава обусловлены эффектами многократного увеличения доли поверхности нанозерен и нанокластеров (до сотен квадратных метров на грамм). С этим связаны новые свойства многих конструкционных и неорганических наноматериалов.

Анализ последних достижений в области наноматериалов, нанотехнологий и наноэлектроники дан в обзоре Ж.И.Алферова и др. (Микросистемная техника, 2003, №8, с. 3-13), большое количество информации содержится в только что вышедшей в свет Энциклопедии нанонаук и нанотехнологий (Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Ed. N. S. Nalwa, American Scientific Publ, 2004), на интернетовских сайтах http://nanotechweb.org, www.nanoforum.org и др.

Современные приложения нанотехнологий включают:

· элементы наноэлектроники и нанофотоники ‑ полупроводниковые, транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, сенсоры и др. (рис. 1, 2) [1,2];

· устройства сверхплотной записи информации;

· телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры; плоские экраны, видеопроекторы и мониторы компьютеров;

· молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне; нанолитографию и наноимпринтинг; топливные элементы и устройства для хранения энергии;

· устройства микро- и наномеханики, в том числе актюаторы и трансдукторы, молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;

· нанохимию и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимию и фармацевтику;

· средства обеспечения безопасности и борьбы с терроризмом;

· авиационные, космические и оборонные приложения;

· устройства контроля окружающей среды;

· целевую доставку лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническую и медицинскую диагностику, создание искусственных мускулов, костей, имплантацию живых органов;

· биомеханику, геномику, биоинформатику и биинструментарий;

· регистрацию и идентификацию канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов, безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищи.

Рис. 1

Рис. 2

Среди наиболее впечатляющих результатов в области наноматериалов и нанотехнологий отметим возрастание прочности и твердости наноструктурированных металлов, что используется, например, при обработке внутренней поверхности труб парогенераторов на атомных станциях.

Добавка нанопорошков алюминия в ракетное топливо увеличивает скорость горения топлива, а на основе интеркалированного графита создаются новые взрывчатые вещества с объемным горением.

Фильтры на основе микро- и наномембран резко повышают скорость фильтрации дрожжей при производстве пива, а фильтры из нановолокон и нанотрубок (рис. 3) [3] высокоэффективны при очистке воды от бактериофагов (вирусов).

Рис. 3

Жидкости, содержащие наночастицы металлов, обладают многократно более высокой теплопроводностью, что позволяет их эффективно использовать в качестве теплоносителей в системах охлаждения.

Покрытия из наноструктурированных материалов характеризуются способностью к самоочищению под действием солнечного излучения, что открывает перспективы производства самоочищающихся строительных материалов и текстиля.

Нанокомпозиты твердых веществ обладают повышенной способностью для аккумулирования водорода и высокой проводимостью ионов, что важно для миниатюризации батарей, источников электропитания и для прогнозируемого развития водородной энергетики.

Новые возможности открываются при использовании наноматериалов и нанотехнологии в фармацевтике, косметике, медицине и биологии. Так, фармакокинетика такого массового лекарства, как аспирин, значительно улучшается в результате его наноструктурирования при механохимической обработке. Для разработки новых эффективных лекарственных средств с бактерицидными и противовирусными средствами успешно используются наночастицы серебра на поверхности цеолитов. Положительные результаты получены при применении магнитных наночастиц при очистке крови от токсикантов.

Из многочисленных применений нанотехнологии и наноматериалов в биологии отметим использование квантовых точек (рис. 4) [4] в качестве люминесцирующих наномаркеров биологических объектов, что позволяет исследовать процессы метаболизма и идентифицировать на ранних стадиях образование раковых клеток.

Рис. 4

Интенсивно ведутся разработки производства наноструктурированных материалов, наночастиц и нанопорошков в промышленных масштабах. Основные методы их получения в больших количествах включают процессы газофазного синтеза с использованием химических, пламенных, плазменных и лазерных реакторов. В России работы по получению нанопорошков оксидов металлов лазерным испарением ведутся, например, в Институте электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург); технологии плазменного нанесения наноструктурированных покрытий развиваются в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск); методы механохимического синтеза наноматериалов разработаны в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск). Наиболее серьезные прорывы в нанотехнологии ожидаются в связи с переходом от традиционных технологий получения нанообъектов при уменьшении размеров макроскопических объектов ("сверху-вниз") к технологиям молекулярной и поатомной сборки нанообъектов и наноматериалов ("снизу-вверх").

Впечатляющие перспективы связаны с применением наноматериалов и систем пониженной размерности в информационных, телекоммуникационных и вычислительных технологиях. Уровень работ в этой области в России и в мире задается ежегодно проводимыми в Санкт-Петербурге на базе Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН Международными симпозиумами "Наноструктуры: физика и технология". Наиболее интенсивно работы по этому направлению ведутся в институтах РАН: Физико-техническом им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург), Физическом (г. Москва), Радиотехники и электроники (г. Москва), Физико-технологическом (г. Москва), Общей физики (г. Москва), СВЧ полупроводниковой электроники (г. Москва), Физики микроструктур (г. Нижний Новгород), Физики твердого тела (пос. Черноголовка). Проблем технологии микроэлектроники (пос. Черноголовка), Физики полупроводников (г. Новосибирск), в Московском государственном университете, Санкт-Петербургском государственном техническом университете и других научных организациях России.

Среди наиболее серьезных достижений российских ученых следует отметить разработку полупроводниковых инжекционных лазеров, высокоэффективных солнечных элементов, сверхъярких светодиодов, элементов наногетероструктурных интегральных схем (ФТИ им. А.Ф.Иоффе и др.). Работы опережающего характера по созданию уникального оборудования для нанолитографии с использованием экстремального ультрафиолетового излучения (длина волны 13,5 нм) ведутся в ИФМ РАН. В ИФП СО РАН создано технологическое оборудование (рис. 5) для выращивания слоев стратегически важного материала ‑ эпитаксиальных слоев кадмий-ртуть-теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Наноструктурирование слоев по толщине позволяет улучшить их основные электрофизические параметры и получить большеформатные фотоприемные матрицы ИК-диапазона различного назначения.

Рис. 5

С помощью технологии молекулярно-лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН изготовлены экспериментальные образцы матричных фотоприемных модулей форматом 320´256 элементов на основе многослойных эпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs (рис. 6) [5,6] с квантовыми ямами с максимумом спектральной чувствительности в диапазоне 7-9 мкм и температурным разрешением 40-70 мК.

Рис. 6

На основе эпитаксиальных гетероструктур Ge/Si (рис. 7) на подложке "кремний-на-изоляторе" созданы фотодетекторы на диапазон длин волн 1,3-1,55 мкм с активной областью, включающей 36 слоев нанокластеров германия (квантовых точек). За счет эффекта многократного внутреннего отражения достигнуты значения квантовой эффективности 21 и 16% для длин волн 1,3 и 1,55 мкм соответственно. Фотодетекторы на квантовых точках представляют несомненный интерес для применения в качестве фотонных компонентов волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью.

Рис. 7

Применение нанотехнологии для интеграции на одном кристалле функций восприятия и обработки изображения вместе с использованием квантоворазмерных фоточувствительных наноструктур в ближайшее время приведет к созданию систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным по сравнению с биологическим зрением спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра (отметим, что биологическое зрение человека формировалось в течение миллионов лет). Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводникевых наноструктур значительно уменьшит габаритные размеры устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.

Исключительно важным для развития нанотехнологии является создание новых и усовершенствование имеющихся методов диагностики наноструктур и наноматериалов с атомным и нанометровым разрешением. В последние годы достигнуты заметные успехи в коррекции сферической абберации и применении энергетических фильтров для химического анализа в высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (рис. 8); в развитии методов электронной голографии, сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии и микроскопии медленных электронов.

Рис. 8

Революционным явилось широкое применение методов сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии с проведением спектроскопического анализа, измерением молекулярных сил, проведением экспериментов in situ при пониженных и повышенных температурах, включая манипулирование отдельными атомами. Следует отметить успехи российских специалистов в разработке современных конкурентоспособных атомно-силовьгх микроскопов (фирма НТ-МДТ, г. Зеленоград) (рис. 9) и в создании сканирующего туннельного микроскопа (Институт общей физики РАН), что явилось существенным вкладом в развитие нанотехнологии в России. На базе Курчатовского научного центра (г. Москва) и Института ядерной физики (г. Новосибирск) успешно ведутся работы в области нанотехнологии и нанодиагностики с использованием синхротронного излучения. Однако в целом уровень оснащения организаций научно-технической сферы России современными диагностическими методами далек от необходимого уровня, что связано со сложностью и дороговизной современного аналитического и диагностического оборудования.

Рис. 9

Подготовка высококвалифицированных кадров в области наноматериалов и нанотехнологии является неотъемлемой частью работ в этой области. В целом уровень подготовки специалистов данного профиля в России соответствует или превышает мировой уровень в данной области. Это выражается, в частности, в востребованности и успешной работе многих российских специалистов в зарубежных центрах нанотехнологии и наноматериалов. В то же время угрожающим является падение уровня преподавания естественно-научных дисциплин (математики, физики, химии, биологии) в средней школе, что связано с общим кризисом в Российской системе среднего образования. Необходимы незамедлительные шаги по исправлению сложившегося положения. Положительным в этой области является опыт деятельности Научно-образовательного центра при ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и Специализированного учебно-научного центра при Новосибирском госуниверситете. Первым шагом в подготовке дипломированных специалистов по нанотехнологиям (специальности "Нанотехнология в электронике" и "Наноматериалы") явилось поручение Минобрнауки РФ (приказ №71 от 29.01.2004) по подготовке кадров в ряде ведущих вузов России (Московский институт электронной техники, МГТУ им. Н.Э.Баумана, Новосибирский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Таганрогский государственный радиотехнический университет, Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского).

Основные выводы

Благодаря высокому интеллектуальному потенциалу научных и образовательных учреждений России (в первую очередь, институтов Российской академии наук) уровень научно-технологических разработок в области наноматериалов и нанотехнологии в России в целом соответствует мировому уровню работ, а иногда и превышает мировой уровень. Развитие работ в этой области даст возможность для более активной работы российских компаний на внутреннем рынке России (информационные и телекоммуникационные технологии для финансовой и банковской сферы, образования, создание современной материальной базы медицины, решение проблем энергосбережения, обеспечение безопасности, решение стратегически важных проблем силовых ведомств и многое другое), а также восстановить научно-технический паритет с развитыми странами.

Основная проблема на настоящем этапе связана со слабой материальной базой при получении и диагностике наноматериалов, что препятствует развитию нанотехнологий. Исправление этого положения требует капитальных вложений со стороны государства. Для эффективного использования необходимых средств разумным является организация мощных распределенных региональных центров коллективного пользования дорогостоящим уникальным аналитическим, диагностическим и технологическим оборудованием и их дооснащение в соответствии с профилем работы центров. Необходимы налоговые и таможенные льготы при закупке специализированного и уникального оборудования. В Минобрнауки РФ накоплен достаточный положительный опыт для организации таких центров коллективного пользования. На первом этапе целесообразна организация таких межведомственных центров в области наноматериалов и нанотехнологий в Центральном (г. Москва), Северо-Западном (г. Санкт-Петербург), Приволжском (г. Нижний Новгород), Уральском (г. Екатеринбург) и Сибирском (г. Новосибирск) федеральных округах.

Для экономического стимулирования разработки нанотехнологий и производства наноматериалов, изделий и устройств на их основе следует обеспечить создание специализированных технопарков, как хорошо работающего в мировой практике механизма прогресса в области высоких технологий, и оказать поддержку малым высокотехнологическим компаниям в составе технопарков.

Следует предусмотреть систему мер по повышению качества и доступности преподавания в средней школе естественно-научных дисциплин, лежащих в основе современного прогресса в области наноматериалов и нанотехнологий (математика, физика, химия, биология). Ключевым моментом является повышение статуса преподавателей и оснащение школ современными средствами образования. Для подготовки кадров высшей квалификации в области нанотехнологий и наноматериалов необходима целевая материальная поддержка тех вузов, которые уже ведут эту работу.

Список литературы

1. Гайслер В.А., Торопов А.И. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 272-298.

2. Попов В.П., Асеев А.Л., Французов А.А. и др. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 337-362.

3. Принц В.Я. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 85-120.

4. Двуреченский А.В., Якимов А.И. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 308-337.

5. Овсюк В.Н., Торопов А.И., Шашкин В.В. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона. Новосибирск: Наука, 2001.

6. Торопов А.И., Шашкин В.В. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 252-272.