N 19. Ноябрь 2007
архив
поиск
рассылки
о газете
свежий номер
содержание
пишите нам
СКАЧОК ОТ «МИКРО» - К «НАНО»

Несмотря на то, что термин «нанотехнология» стал весьма популярен в последние годы, даже люди, выступающие в поддержку этой отрасли науки и техники, часто весьма приблизительно представляют, о чем идет речь.

Что такое нанотехнологии, как развивается нанонаука в Казанском университете? Вот о чем пойдет разговор в серии публикаций, открывает которую статья профессора каф. физики твердого тела, зав. лабораторией физики магнитных наноструктур и спинтроники КГУ Л.Тагирова и зав. лабораторией физики и химии поверхности КФТИ РАН, профессора кафедры оптики и нанофотоники КГУ А.Бухараева.

Понимая нанотехнологии

О нанотехнологиях говорят сейчас все средства массовой информации. Открыта федеральная целевая программа «Развитие нанотехнологий в России» и создана Государственная корпорация нанотехнологий для координирования работ в этой области. Вплоть до 2010 года в нанотехнологии и наноматериалы запланировано вложить невиданные ранее ресурсы, измеряемые 130 млрд. рублей.

Давайте проясним смысл ключевого слова - приставки «нано». Вычислять размеры в метрах, сантиметрах и миллиметрах для нас привычно. А объекты меньше миллиметра принято измерять в микрометрах (мкм), составляющих одну тысячную долю миллиметра. Для примера: толщина человеческого волоса составляет 50 - 100 мкм, а ворсинка хлопчатобумажной ткани имеет толщину около 10 мкм, что уже на пределе возможностей человеческого глаза. Электроника ХХ века называлась микроэлектроникой, так как минимальные размеры ее компонент были порядка 5 - 10 мкм. Нанометр (нм) - это одна миллиардная метра, или одна тысячная доля микрометра. В одном нанометре укладывается 5 - 7 атомов, поэтому в физике атомов и молекул, структурной химии измерения ведутся в нанометрах.

Нанотехнологиями называют структурирование и манипулирование на наноразмерах, которые имеют приложения в реальном (макроскопическом) мире. Переход от «микро» к «нано» - это уже не количественный, а качественный переход - скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами. Сразу оговоримся: не стоит смешивать нанотехнологии с наукой о наноструктурах. Например, минимальные размеры соединительных дорожек в последних моделях процессора Пентиум составляют 90 нм (0,09 мкм), однако изменение свойств материалов дорожек на таких размерах не-значительно и не играет никакой роли в функционировании устройства. Это нанотехнология, но не нанонаука.

Нанонаука возникает там, где свойства наноструктурированных материалов начинают кардинально отличаться от свойств тех же объемных материалов, или же наноматериал не имеет природного аналога и обладает уникальными свойствами. Например, функциональные свойства устройств спиновой электроники (спинтроники) обусловлены исключительно наноструктурированием, так как при комнатной температуре электрон сохраняет свой спин (собственный магнитный момент) на расстояниях от единиц до десятков нанометров. Поэтому использовать спиновые степени свободы носителей заряда можно только в наноструктурах. Отсюда ясно, что без нанотехнологий, которые создают наноструктуры, невозможна и нанонаука.

Новая технологическая революция в Казани и КГУ

Есть ли производство наноматериалов и нанотехнологий в России, и в частности в Казани и нашем университете? Были и есть, однако объем их применения невелик. Прежде всего, это ультрадисперсные порошки в производстве сверхтвердых и композитных материалов, углеродные нанотрубки и фуллерены, ультратонкие пленочные покрытия в оптике, полупроводниковые светоизлучающие гетероструктуры, электронная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, электронно-лучевая литография.

Отметим, что электронные микроскопы с разрешением в несколько нанометров и сканирующие зондовые микроскопы с разрешением порядка одного нанометра, а также возможность синтезировать наночастицы и напылять сверхтонкие пленки есть как в Казанском физико-техническом институте, так и в Казанском университете. Расскажем подробнее об этих приборах и о физике, которая изучается с их помощью.

В 1988 году ученые наблюдали явление гигантского магнитосопротивления (ГМС). Магнитосопротивление - это изменение электрического сопротивления веществ при приложении к ним магнитного поля. В обычных металлах оно очень маленькое и не имеет практического применения. В искусственном материале, представляющем из себя «многослойный пирог» из ультратонких слоев железа и хрома толщиной 1 - 3 нанометра, электрическое сопротивление в магнитном поле меняется почти в два раза. Поэтому магнитосопротивление таких многослойных наноструктур и было названо гигантским.

Вскоре после пионерских публикаций французских и немецких ученых было предложено использовать синтетические ГМС материалы в качестве сенсоров магнитного поля в головках жестких дисков компьютеров. Преимущество ГМС сенсоров заключалось в их малой толщине (порядка 100 нм) и чрезвычайно низкой индуктивности при хорошем уровне сигнала: изменение сопротивления в рабочем диапазоне магнитных полей составляло около 10%. Появилась возможность на порядок и более уменьшить длину бита - единицы записи на пластине, уместить большее количество дорожек и увеличить скорость вращения пластин. В результате емкость дисков увеличилась сразу в 10 раз и возросло их быстродействие. Оптимизация технологии ГМС сенсоров и конструкции самих дисков увеличила их емкость еще в 10 и более раз и привела к вытеснению с рынка всех других технологий чтения магнитной записи.

Возникает вопрос: где предел плотности магнитной записи и далеко ли мы от него? Оказывается, «недалеко» - примерно в 80 нм! Ниже размера бита в 20 нм возникает проблема стабильности хранения этого бита во времени - эффект суперпарамагнетизма приводит к его размагничиванию. Это уже нанофизика. Однако для чтения 20-нанометрового бита ГМС-головка слишком большая, и нужно думать о другом физическом принципе детектирования магнитного поля.

На помощь приходят магнитные наноконтакты, магнитосопротивление которых еще больше, а размер - порядка нескольких нанометров. В лаборатории Физики и химии поверхности КФТИ РАН созданы установки для изготовления магнитных наноконтактов электролитическими методами и с помощью ионного травления. Последний сочетает в себе технологию изготовления наноконтактов в вакууме и средства исследования их морфологии и магниторезистивных свойств.

Экспериментальная лаборатория КФТИ работает в контакте с теоретической лабораторией Физики магнитных наноструктур КГУ, которая занимается расчетами физических свойств наноструктур. К настоящему времени получены первые результаты, в которых сопротивление электролитически изготовленных контактов в магнитном поле изменяется в 3 раза. Теория объясняет такое большое магнитосопротивление тем, что магнитное поле устраняет наноразмерную доменную стенку (границу между двумя однородно намагниченными ферромагнитными областями), локализованную в наноконтакте. С увеличением размера наноконтакта магнитосопротивление очень быстро уменьшается, таким образом, оно является наноразмерным эффектом.

К сожалению, электролитически выращенные наноконтакты «живут» очень недолго, несколько минут, поэтому их невозможно использовать в электронных устройствах. Будущее использования наноконтактов мы связываем с контактами на подложке, технология изготовления которых сейчас отрабатывается.

Когда верстался номер

Из Стокгольма пришла новость: первооткрыватели гигантского магнитосопротивления в магнитных наноструктурах профессора Питер Грюнберг (Исследовательский центр Юлиха, Германия) и Альберт Ферт (Университет Париж-Юг, Франция) получили Нобелевскую премию по физике за 2007 год. Не далее как 23 августа этого года, во время международной конференции EASTMAG-2007 в Казани, проф. П.Грюнберг сделал пленарный доклад в Актовом зале университета.

     

© 1999-2007 Казанский Государственный Университет