– Начнем с того, что основателем центра был профессор Игорь Васильевич Закурдаев. Он был первым научным руководителем этой лаборатории. Сейчас нашим научным руководителем является профессор Виктор Сергеевич Гуров, а его заместителем – профессор Сергей Петрович Вихров.
Сейчас накоплен определенный опыт, по федеральной программе материально-технической поддержке центров коллективного пользования научным оборудованием мы получили нанолабораторию, в составе которой туннельный и атомно-силовой микроскопы, позволяющие сделать большой шаг вперед в исследовательской работе. Оба прибора – разновидности зондовых сканирующих микроскопов. Они значительно расширяют наши возможности. Если их сравнивать с оптическими микроскопами, то выигрыш несомненный. Оптика определяет длину волны света от 300 до 800 нанометров, а то, что короче 300, можно посмотреть только зондом. Так что в Рязанском государственном радиотехническом университете есть своя диагностическая нанолаборатория. В ней можно решать проблемы по исследованию поверхности новых материалов, новых покрытий, используемых сейчас в технологических процессах.
Наличие нового оборудования в центре зондовой микроскопии – большой шаг вперед. Теперь мы можем контролировать структуру и качество поверхности на наноразмерном уровне, контролировать состояние поверхности при изменении технологического процесса нанесения покрытий и роста слоев. Мы занимаемся научными исследованиями. Но нам интересно, чтобы эти работы были воплощены не только в рамки научных разработок, а на их основе выполнялись заказы производственников.
– Что мы можем увидеть благодаря такому прибору?
– Зондовый микроскоп – это инструмент, при помощи которого можно исследовать очень маленький объект. Острие иглы – 10 нанометров, т.е. в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Зонд «видит» то, что, казалось бы, невозможно увидеть!
К нам часто приезжают представители производств, особенно тех, где занимаются напылением тонких слоев и надо контролировать шероховатость, физические свойства поверхности. Это можно сделать при помощи такой техники, как наша, и получить данные, которые помогут технологам. У них есть технологические идеи, а у нас – инструмент. В Нижнем Новгороде растят структуры с «квантовыми точками» для светодиодов и полупроводниковых лазеров. Мы смотрим, что получилось, и анализируем, как выполнена та или иная технологическая операция. Для производителя интересны все параметры: и топологические (шероховатость, распределение по поверхности) и электрофизические (токи, потенциалы на поверхности, поглощение и люминисценция). Дело в том, что в зависимости от размера квантовые точки могут излучать разные диапазоны длин волн. Изменяя размер квантовых точек, можно получить весь световой спектр излучения – от инфракрасного до ультрафиолетового. Раньше это делалось путем подбора полупроводниковых материалов, т.е. надо было эти материалы создавать. Теперь это можно сделать на одном материале.
Вот как выглядит работа зонда. Ассистенты Николая Владимировича (доцент А.П. Авачев и м.н.с. К.В. Митрофанов) устанавливают на нужное место исследуемый образец для того, чтобы показать на экране монитора, как выглядит его поверхность, включают оборудование. По ходу комментируют работу зонда.
– Обратите внимание на то, что оптимальное расстояние от иголки до поверхности находит сам зонд. Вот включается режим сканирования, и мы начинаем двигать подложку относительно иглы. Появившаяся на экране точка постепенно, строчка за строчкой, вычерчивает изображение. Строчку прошел – вернулся. Вот так построчно и составляется изображение поверхности. Мы можем это сохранить как картинку, как файл программы, можем сделать трехмерную модель и посмотреть, как это выглядит в объеме, – объясняет ассистент.
– Мы можем говорить о научном скачке?
– Да! Но этот скачок был сделан в 80-е годы прошлого столетия, когда немецкие ученые Герхард Бинниг и Хайнрих Рёрер, сотрудники Европейского отдела компании IBM сообщили о создании туннельного микроскопа. С его помощью впервые были получены реальные изображения поверхностей с атомарным разрешением. А в 1986 году был изобретен атомно-силовой микроскоп. Началась эра зондовой микроскопии. Сложности были не только в том, чтобы создавать сверхострые зонды, но и в том, чтобы обработать информацию, получаемую от сканирования поверхности этими зондами. Тогда ведь не было таких мощных компьютеров, теоретические основы зондовой микроскопии были не так сильно развиты, как сейчас. Надо было предусмотреть все силы, которые действуют между зондом силового микроскопа и поверхностью. Это силы так называемого Ван-дер-Ваальсовского притяжения, латеральные силы. Как только зонд подходит очень близко к поверхности, начинают действовать силы электрического отталкивания …
– Как же эти эффекты убрали?
– Никак. Это принципиальная особенность работы этих микроскопов. Мало того, эти силы позволяют «зацепить» кластер из нескольких атомов и даже один атом, а потом их переместить в нужное место и «положить» на поверхность. Но поверхность при этом должна быть атомарно чистой.
– То есть это как раз и есть нанотехнологии?
– Вообще, по определению, – это технологические процессы, которые оперируют с объектами от одного до ста нанометров. Что сейчас представляют под этим термином? Это и добавление порошка в различные смеси, присадки к топливу, к смазочным материалам, и создание новых лекарственных препаратов, клеточные и генные биотехнологии. Все это можно отнести к нанотехнологиям. Но тогда вся наша жизнь – сплошная нанотехнология. Мы занимаемся зондовыми исследованиями на локальных участках поверхности. С помощью зонда атомно-силового и туннельного микроскопов можно выращивать некоторые наноструктуры. Если будет освоена технология роботов на основе зондов, то есть зонд будет не один, а тысячи, вот тогда мы будем говорить о нанотехнологиях. Это можно будет назвать зондовыми нанотехнологиями.
– Николай Владимирович, насколько часто для проведения исследований на вашем оборудовании к вам обращаются ученые вашего вуза? И что мы можем сказать о ближайших перспективах работы центра?
– Обращаются часто. Причем не только сотрудники РГРТУ. Что касается перспектив, то мы работаем по приоритетному направлению «Индустрия наносистем и материалов». Сейчас выполняем несколько серьезных проектов, которые без зондовых микроскопов осуществить было бы просто невозможно. Немало обращений от промышленных предприятий. Думаю, что постепенно мы наладим работу по дистанционным исследованиям в режиме «он-лайн», как это уже давно практикуется в ведущих зарубежных научных центрах.