Мероприятие открыл директор ИФП СО РАН академик РАН Александр Васильевич Латышев, проводивший заседание по поручению председателя ОУС по нанотехнологиям и информационным технологиям академика Юрия Ивановича Шокина: «Мы возобновили практику проводить Объединенные ученые советы в институтах, которые входят в состав Совета. Организуя заседание здесь, в Институте физики полупроводников, мы рассказываем о направлениях нашей работы, о наших достижениях. Специалисты Института подготовили короткие доклады с демонстрационной частью, это наглядно представляет работы ИФП СО РАН, в сравнении с традиционным подходом, когда готовился один общий доклад об институте».

В выставочном зале ИФП СО РАН ученые института рассказали о технологии молекулярно-лучевой эпитаксии и синтезе с ее помощью сложных многослойных полупроводниковых наноструктур, исследованиях и диагностике объектов нанометрового размера с помощью оптических методов исследования, развитии квантовых технологий – создании прототипа квантового компьютера с кубитами на основе одиночных атомов рубидия, синтезе углеродых нанотрубок для совмещения их с полупроводниковыми технологиями, работах в области кремниевой нанометрологии, нанодиагностикии и нанолитографии, создании кремниевых метаматериалов и совершенствованию их свойств для прикладных применений, разработке полупроводниковых гетероструктур для СВЧ-электроники, создании гетероструктур кремния-на-изоляторе методом водородного скалывания, разработке функциональных элементов терагерцовой фотоники.

Заместитель директора ИФП СО РАН по научной работе доктор физико-математических наук Александр Германович Милёхин, заведующий лабораторией ближнепольной оптической спектроскопии и наносенсорики ИФП СО РАН отметил, что это единственная в России лаборатория, обладающая возможностями наноскопии и локального спектрального анализа наноструктур.

«Сердце нашей лаборатории – прибор, который совмещает спектрометр комбинационного рассеяния света и атомно-силового микроскопа (АСМ), комбинация двух методов дает новое качество измерений: наноструктура помещается на подложку, к ней подводится металлизированный зон АСМ, затем засвечивается лазером, и, чтобы увеличить сигнал, в ближнем элетромагнитном поле помещается наноструктура. Коэффициент усиления оптического отклика пропорционален четвертой степени от локального поля – это дает мощное увеличение сигнала от небольшого объекта».

Александр Милёхин добавил, что с помощью этого метода можно получать информацию о структуре объектов вплоть до разрешения в десять нанометров – например, обнаруживать деформации и структурные дефекты. В частности, исследователи зафиксировали непрямозонную фотолюминисценцию нанокристаллов арсенида галлия на поверхности арсенида галлия, с пространственным разрешением десять нанометров.

Также ученые предложили и развили метод нанокомбинационного рассеяния света в режиме щелевого плазмона: «В нашем институте разработан метод спектрального анализа полупроводниковых наноструктур с локальностью порядка двух нанометров, что на два порядка ниже дифракционного предела», – резюмировал ученый.

С работами в области квантовых вычислений слушателей познакомил заведующий лабораторией нелинейных лазерных процессов и лазерной диагностики член-корреспондент РАН Игорь Ильич Рябцев: «Мы занимаемся созданием прототипа квантового компьютера с кубитами на основе одиночных атомов рубидия. Для этого создана специальная экспериментальная установка, с массивом оптических пинцетов – это жестко сфокусированные лазерные лучи, куда захватываются в фокусы по одному атому рубидия. В наших экспериментах мы продемонстрировали возможность создания массивов таких ловушек. Массив может быть использован для квантовых компьютеров и симуляторов с кубитами на нейтральных атомах».

Ученые создали и экспериментальные установки для однофотонной квантовой связи. Эта связь обеспечивает абсолютную защищённость, поскольку перехватить данные незаметно невозможно. Специалисты ИФП СО РАН (из трех лабораторий) создали лавинные фотодиоды для однофотонных систем квантовой связи, функционирующих при комнатной температуре.

«Это одна из самых актуальных задач в России в области квантовых технологий. Сейчас мы совершенствуем конструкцию этого фотодиода», – отметил Игорь Рябцев.

О развивающемся в Институте направлении – выращивании углеродных нанотрубок для совмещения с полупроводниковыми технологиями рассказал заместитель директора ИФП СО РАН по развитию кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Щеглов: «Мы впервые в России получили пленки из углеродных нанотрубок, совмещенные с кремниевой технологией. Нанотрубки имеют высокое поглощение в инфракрасном и терагерцовом спектрах. Сейчас мы занимаемся разработкой архитектуры микроболометров, где поглощающие слои будут на основе углеродных нанотрубок. Новый материал обладает экстремально низкой удельной плотностью и очень хорошим поглощением».

Другое направление, которое курирует Дмитрий Щеглов – кремниевая нанометрология: «Наши меры калибровки атомно-силовых микроскопов и атомно-гладкие зеркала не имеют аналогов в мире, и внесены в государственный реестр средств измерений, приобретаются и используются производителями атомно-силовых микроскопов, а также метрологическими организациями. В Конструкторско-технологическом институте научного приборостроения СО РАН наши атомно-гладкие зеркала используются в интерферометрическом микроскопе».

Ученый подчеркнул, что благодаря развитой в Институте школе изучения элементарных структурных процессов на поверхности полупроводников, исследователи получают результаты в области передовых направлений развития нанотехнологий: создания баллистических интерферометров с ультравысокими температурами работы, полупроводниковых брэгговских микрорезонаторов для излучателей одиночных фотонов, разработке спинового кубита.

Заведующий лабораторией неравновесных полупроводниковых систем ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Анатолий Васильевич Двуреченский рассказал о работах с метаматериалами и достигнутом увеличении квантовой эффективности кремниевых фотодекторов: «Предложен и реализован подход, позволяющий многократно (в 50 раз) увеличить квантовую эффективность кремниевых фотодетекторов и люминесценции гетероструктур германий-кремний с квантовыми точками германий в ближнем инфракрасном диапазоне. Основу подхода составляет использование фотонных кристаллов, представляющих в нашей работе субволновые периодические решетки отверстий на поверхности полупроводника с периодом, сравнимым с длиной волны оптического излучения. Такие фотонные кристаллы способны стимулировать усиление поглощения/излучение света в диапазоне длин волн, определяемом параметрами решетки за счет формирования планарных волноводных мод и увеличения длины области поглощения падающего излучения. Для достижения максимального эффекта необходимо, чтобы максимум интенсивности латеральных оптических мод находился в активной области фотодетектора».

О других разработках Института сделали сообщения заместитель директора ИФП СО РАН по научной работе, заведующий лабораторией технологии эпитаксии из молекулярных пучков соединений А2В6 доктор физико-математических наук Максим Витальевич Якушев, заместитель директора ИФП СО РАН по инновациям, заведующий лабораторией физико-технологических основ создания приборов на основе полупроводников А2В6 кандидат физико-математических наук Георгий Юрьевич Сидоров, заведующий лабораторией физических основ материаловедения кремния доктор физико-математических наук Владимир Павлович Попов, старший научный сотрудник лаборатории молекулярно-лучевой эпитаксии полупроводниковых соединений А3В5 кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Гуляев, заместитель руководителя по прикладной тематике, кандидат технических наук Конструкторско-технологического института прикладной микроэлектроники (КТИ ПМ–филиала ИФП СО РАН) Игорь Иванович Кремис, научный сотрудник КТИ ПМ Сергей Александрович Кузнецов, младший научный сотрудник КТИ ПМ Роман Александрович Гладков, старший научный сотрудник лаборатории кинетических явлений в полупроводниках ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Михаил Алексеевич Демьяненко.

Затем подробные доклады на заседании ОУС представили профессора РАН: заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук Олег Евгеньевич Терещенко рассказал о физике и технологии гетерострукур применительно к твердотельной и вакуумной спинтронике и оптоэлектронике, главный научный сотрудник Института динамики систем и теории управления им. В. М. Матросова СО РАН доктор физико-математических наук Александр Леонидович Казаков – о технологии моделирования транспортно-логистических систем на основе теории массового обслуживания и физических аналогий.

Развитие спинтроники

Олег Терещенко напомнил собравшимся, что спинтронные устройства, работающие в металлических системах, получили распространение довольно давно – это считывающие головки жестких дисков и устройства магнитной памяти с произвольным доступом (MRAM). Десять лет назад считалось, что спинтронику ждет бурное развитие в области прикладных применений, однако ожидания не оправдались в полной мере.

«Я попытался найти ответ, почему так происходит, и, на мой взгляд, дело в том, что все металлические системы – квазиодномерные. Мы хорошо научились „готовить” атомно-гладкие поверхности, прецизионно выращивать эти структуры, и многие работы связаны с одномерными системами. Как только мы переходим в области, где есть контакт ферромагнетика и полупроводника – основного элемента полупроводниковой спинтроники, возникает очень много проблем. Главная из которых: низкая спиновая инжекция – спиновая поляризация оказывается очень маленькой», – прокомментировал Олег Терещенко.

Ученый объяснил, что с этой проблемой можно «бороться», и есть разные способы: например, если речь идет о монолитных твердотельных спинтронных устройствах, то вопрос в некоторой степени решается с помощью интерфейса – диэлектрика, проложенного между ферромагнитным металлом и полупроводником. Однако такие системы работают преимущественно при очень низких температурах или сильных магнитных полях, и эффективность спиновой поляризации сильно зависит от свойств интерфейса.

Другой возможный выход – развивать вакуумную спинтронику. Ее основное отличие от монолитной, в том, что в вакуумном спинтронном устройстве между источником и приемником спин-поляризованных электронов есть вакуумный зазор.

«Мы сделали первый шаг в этом направлении – создали вакуумный спиновый фотодиод с полупроводниковыми электродами, с отрицательным электронным сродством. На его основе мы сделали спин-детектор свободных электронов, причем с пространственным разрешением, а также открыли новый источник спин-поляризованных электронов и даже придумали, как сделать фотоэмиссионный солнечный элемент», – продолжил О. Е. Терещенко.

Среди дальнейших планов научной группы: сделать усилитель для спинтроники на основе свободновисящей ферромагнитной пленки, начать использование полупроводникового детектора спин-поляризованных электронов в системе фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением ARPES FlexPS. Эта система появилась в ИФП СО РАН не так давно, в результате обновления приборной базы, аналогичную установку планируется разместить и на одной из станций СКИФ, запуском которой руководит Олег Терещенко вместе с коллегами из других институтов новосибирского Академгородка.

«Установки фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением есть только в нескольких российских научных организациях: в Санкт-Петербурге, во Владивостоке, в Москве и в Новосибирске – в ИФП СО РАН. При этом метод широко востребован для проведения работ в области исследования поверхности (surface science), и за рубежом почти все научные группы, работающие в этой тематике, имеют подобные приборы», – добавил профессор РАН.

Александр Латышев подчеркнул, что система фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением ARPES FlexPS в ИФП СО РАН помещена в режим коллективного пользования, и специалисты других научных организаций могут работать на этом оборудовании, подавая заявки в ЦКП.

Оптимальное размещение объектов: как помогут фотоны?

Профессор РАН Александр Казаков представил разработанную его научной группой технологию моделирования транспортно-логистических систем на основе физических аналогий и теории массового обслуживания: «Технология включает в себя три этапа: решение задач оптимизации размещения объектов транспортной логистики, объектов инфраструктурных, [решение] задачи об организации системы коммуникаций между этими объектами, исследование работы конкретных объектов при учете влияния случайных факторов».

Ученый отметил, что мотивацией для разработки технологии стали логические задачи по размещению центров обслуживания и логистических объектов. Одна из первых задач, которую рассматривали исследователи – оптимальное размещение аптек и отделений банка в городе Саянске (Иркутская область).

«Есть некий полигон, и мы предполагаем, что потребители расположены непрерывным образом – иначе говоря, рассматривается некая модель сплошной среды. Если недостаточно ресурсов обслужить всех до единого, ставится задача расположить [центры обслуживания] так, чтобы обслужить, как можно больший процент. Вторая постановка [задачи], когда необходимо обслужить всех потребителей, и хочется, чтобы это было сделано оптимальным образом.

Так, мы приходим к задаче о покрытии и упаковке некоторой области. Есть набор кругов, центры которых нефиксированы, радиус тоже неопределен, значит нужно разместить их так, чтобы радиус был минимальный, и круги не пересекались. Все они будут лежать целиком в рассматриваемой области, и их центры располагаются внутри нее.

Это классический вариант задачи об упаковке. Отличие в том, что в качестве меры удаленности двух объектов, мы рассматриваем не евклидово расстояние между ними, а минимально возможное время, которое необходимо, чтобы проделать путь из одной точки в другую.

Для отыскания кратчайших (быстрейших) маршрутов предлагается метод, основанный на физических принципах Ферма и Гюйгенса, применяемых в геометрической оптике: свет в своем движении выбирает маршрут, который он преодолевает за минимальное время, а каждая точка, достигнутая световой волной становится вторичным источником», – описал подход к решению Александр Казаков.

Стратегия решения, по словам исследователя, состоит в том, что задаются случайные начальные координаты центров, из них выпускаются световые волны, строится обобщенная диаграмма Воронова, для каждой ячейки Воронова строятся волновые фронты, распространяющиеся с границы внутрь, определяется точка, в которой волна «схлопнется», эта точка будет центром круга наибольшего радиуса. Затем проверяются дополнительные условия для радиуса; осуществляется переход следующему шагу с новыми координатами центров кругов. Вышеописанный процесс продолжается, пока координаты центров изменяются, либо до выполнения дополнительных критериев остановки. После, из решения уравнения эйконала, определяются окружности (в заданной метрике), ограничивающие упаковываемые круги, для найденных центров.

«Предложенный подход позволяет исследовать модели в форме задач покрытия; задач упаковки и покрытия кругами двух типов; задач упаковки и покрытия разными кругами с заданным соотношением радиусов; кратных покрытий и упаковок; трехмерных задач упаковки и покрытия», – объяснил Александр Казаков.

Кроме того, ученый отметил, что сообщения, представленные на заседании, наглядно демонстрируют разнообразие направлений исследований организаций, входящих в состав Объединенного ученого совета СО РАН по нанотехнологиям и информационным технологиям.

Больше фотографий участников ОУС – на сайте ИФП СО РАН →

Фотографии В. Трифутина.
Источник: пресс-служба ИФП СО РАН.