Михаил Мухин, руководитель наноцентра лаборатории метаматериалов
Университета ИТМО, методист профиля «Нанотехнологии» ОЦ «Сириус»
mihail-muhin@yandex.ru
Константин Крупальник, руководитель направления «Микроэлектроника»
kk@dipaul.ru
В образовательном центре «Сириус» в рамках проекта «Большие вызовы» команды российских школьников совместно с вузами и представителями индустрии занимаются разработкой серьезных научных проектов. Программа состоит из различных профилей, к одному из них — «Нанотехнологии» — присоединилась и компания «Диполь».
Центр «Сириус», ставший заметным явлением и знаковым местом за очень короткий срок, был создан образовательным фондом «Талант и успех» и разместился в уютном уголке Сочи на берегу моря на территории Олимпийской деревни. Свою деятельность центр ведет при поддержке и координации Министерства образования и науки, Министерства спорта и Министерства культуры Российской Федерации. Работа «Сириуса» направлена на раннее выявление, развитие и дальнейшую профессиональную поддержку одаренных детей, проявивших выдающиеся способности в области искусств, спорта, естественно-научных дисциплин, а также добившихся успеха в техническом творчестве.
Центр работает круглый год, и сюда из всех регионов России ежемесячно приезжают и проходят бесплатное обучение 800 детей в возрасте 10–17 лет. Их сопровождают более 100 преподавателей и тренеров, повышающих в центре свою квалификацию. Образовательная программа рассчитана на 24 дня и включает как занятия по определенной специальности, так и развивающий досуг, мастер-классы, творческие встречи с признанными в своих областях профессионалами, комплекс оздоровительных процедур, а в течение учебного года — общеобразовательные занятия. Учебная база «Сириуса» оборудована по последнему слову техники и позволяет проводить курсы интенсивного обучения в комфортных условиях.
В «Сириусе» действует несколько направлений обучения: «Спорт», «Наука», «Искусство». Например, по направлению «Наука» отбор достаточно серьезный, он проводится Экспертным советом Фонда на основании результатов участия кандидатов в предметных олимпиадах и конкурсах, собственного (индивидуального или командного) проекта научно-технического или исследовательского характера, а также при наличии документа, удостоверяющего исключительное право на результат интеллектуальной деятельности.
Каждый месяц по направлению «Наука» проходит профильная образовательная смена (около 400 детей), посвященная конкретной области знаний (IT, физика, математика и т. д.). При этом ежегодно в июле организуется особая, проектная смена под названием «Большие вызовы».
Формат «Больших вызовов» следующий: партнеры «Сириуса» (вузы, компании-разработчики, производители и другие предприятия) готовят темы проектов (глобальные задачи), которые школьникам предлагается разработать в течение смены. Проекты выполняются командой из 5–7 человек во главе с руководителем — представителем партнера, предложившего конкретную задачу. Участниками проектной образовательной программы «Большие вызовы» стали победители и призеры Всероссийского конкурса проектных и исследовательских работ школьников. А в 2018 году к различным мероприятиям конкурса было привлечено свыше 40 000 учащихся 8–10 классов со всей страны.
«Большие вызовы» разделены на 12 направлений, среди которых есть профиль «Нанотехнологии», предусматривающий разработку четырех проектов (по два от каждого партнера). Кстати, в нынешнем году партнерами профиля стали Университет ИТМО и ФИОП Роснано.
В частности, Университет ИТМО предложил ребятам заняться двумя проектами. Первый — инновационная разработка «Создание газового сенсора на основе графена».
В последние годы локальные газовые анализаторы становятся все более востребованными, причем спектр их действия может быть как общим, так и специфическим, например детектирование конкретных газов сверхмалой концентрации.
Принцип детектирования присутствия газов в атмосфере может быть основан на изменении проводимости активного слоя, адсорбирующего молекулы газа. Электрический потенциал молекул способен влиять на транспорт носителей заряда в активном слое, что фиксируется с помощью измерения вольт-амперных характеристик. Понятно, что в такой геометрии толщина активного слоя должна быть как можно меньше (чтобы изменение электрического потенциала на поверхности слоя приводило к изменению проводимости всего слоя), а электрическая проводимость была как можно выше.
Идеальным материалом, удовлетворяющим обоим требованиям, является графен — двумерное вещество, толщиной всего в один атом. За счет своих уникальных свойств графен становится прекрасным проводником, а адсорбция на его поверхности минимального количества молекул способна существенно изменить проводимость слоя.
Главная задача данного проекта заключается в создании газового анализатора на основе одиночных чешуек графена и наноконтактов.
Современные газовые анализаторы становятся все более миниатюрными и чувствительными. Для экспресс-диагностики состава газовой атмосферы на чипе должно располагаться большое количество сенсорных элементов, настроенных на различные газы. Подобные анализаторы могут быть созданы с помощью традиционных методов фотолитографии.
Участникам проекта было предложено разработать методы создания анализаторов присутствия в атмосфере специфических газов, работающих на эффекте изменения проводимости активного слоя на основе графена. Для реализации этой цели требуется развить методы создания слоев углерода, толщиной всего в один атом, а также методы формирования контактов к данным слоям. Такие подходы должны быть реализованы в лабораторных условиях без применения сложного оборудования. Для создания наноструктур, а также для их диагностики было решено в качестве одного из возможных методов использовать сканирующую зондовую микроскопию и (или) фотолитографию по шаблону.
Второй проект — инновационная разработка «Создание подложки для селективной эпитаксии нитевидных нанокристаллов для светоизлучающих диодов».
Задача синтеза упорядоченных массивов наноструктур чрезвычайно актуальна при создании приборных приложений. В частности, массив упорядоченных на подложке вертикально ориентированных нитевидных нанокристаллов (наностолбиков или нанопроволок) может служить основой для создания сверхъярких светоизлучающих диодов, используемых в матрицах LED-панелей.
Для создания профилированных подложек под массивы нитевидных нанокристаллов могут использоваться различные методы электронной или оптической литографии, что требует применения дорогостоящего оборудования.
Проектной команде было предложено разработать новую технологию создания наноструктурированных покрытий для синтеза упорядоченного массива нитевидных нанокристаллов на основе перфорированного слоя оксида и массива самоупорядоченных микро- и наносфер.
Главная задача проекта заключается в формировании наноструктурированных подложек для последующей селективной эпитаксии нитевидных нанокристаллов.
Современные устройства уже давно имеют в своем составе различные наноструктуры, такие как квантовые ямы, квантовые проволоки и квантовые точки. Подобные системы с пониженной размерностью демонстрируют уникальные электронные и оптические свойства, недостижимые для традиционных объемных полупроводниковых материалов. Понятно, что методы синтеза подобных систем очень трудоемки и технологичны и зачастую требуют применения дорогостоящего технологического и диагностического оборудования. Поэтому участникам проекта было предложено разработать методы подготовки (модификации) ростовых подложек для последующего синтеза наноструктур, которые могут быть реализованы в лабораторных условиях без применения сложного и дорогостоящего оборудования. Наноструктурирование подложки должно заключаться в формировании упорядоченного массива субмикронных отверстий в верхнем оксидном слое. При этом способ модификации поверхности должен быть масштабируемым и предусматривать создание упорядоченных микро- и наноструктур на относительно больших площадях.
Для диагностики создаваемых массивов наноструктур, как и при работе над первым проектом, было решено использовать неразрушающую сканирующую зондовую микроскопию.
Для выполнения обоих проектов потребовалась центрифуга (спиннер) для нанесения тонких пленок. Необходимое оборудование предложила компания «Диполь», предоставив лабораторную центрифугу Spin 150i NPP от компании APT (Германия). Spin 150i NPP позволяет наносить на образцы пленки различных материалов, в том числе формировать на подложке тонкий слой фоторезиста высокой однородности, который необходим для процесса фотолитографии.
Принцип нанесения материалов центрифугированием достаточно прост, при этом он позволяет достигать хороших результатов на относительно несложном и недорогом лабораторном оборудовании. Образец, на который наносится материал, закрепляется в центрифуге вакуумным прижимом на специальном держателе. Наносимый материал подается в центрифугу при помощи системы автоматического дозирования или вручную — шприцем или пипеткой. При раскручивании образца и верхней подаче материала в центр образца по оси его вращения подаваемый материал равномерно распределяется по всему образцу, причем толщина покрытия практически линейно связана со скоростью вращения образца. Например, при диапазоне скоростей вращения 0–12 000 об/мин, которым обладает центрифуга Spin 150i NPP, в зависимости от типа наносимого материала можно получить тонкие слои (например, фоторезиста) толщиной около 1 мкм с высокой однородностью (нескольких процентов).
К преимуществам метода центрифугирования можно отнести простоту реализации, линейную зависимость параметров (толщины слоя и скорости вращения), высокую однородность наносимого покрытия. Недостатками метода являются формирование краевого валика (утолщения на крае образца), определенные сложности при работе с образцами некруглой формы (сложно удалять валик, затеки по углам), невозможность работы с поверхностями с развитым рельефом (например, МЭМС-задачи); неэффективный расход подаваемого материала (фоторезиста). Большинство недостатков метода устраняется с помощью более сложных центрифуг либо с использованием других методов нанесения, в частности, ультразвукового спрей-нанесения. Тем не менее наряду с более сложным ультразвуковым спрей-нанесением обычное центрифугирование широко распространено как в лабораториях, так и на производствах, в том числе при изготовлении современной электронной компонентной базы.
Следует отметить, что, помимо технических показателей лабораторной центрифуги для нанесения материалов (скорость вращения, ускорение, диаметр обрабатываемого образца и др.), важными параметрами являются материал изготовления чаши и способ управления процессом.
В настоящее время наиболее оптимальным материалом для изготовления чаши считается полипропилен NPP, который инертен практически ко всем химическим веществам. Для наиболее агрессивных реагентов применяется материал чаши PTFE (политетрафторэтилен). Кроме возможности работы с большинством химических реактивов, по окончании работ поверхность такой центрифуги легко отмыть от использованных материалов, что немаловажно для лабораторных задач.
Spin 150i NPP
Говоря о способах управления процессом нанесения, следует упомянуть, что в новейших центрифугах установлены контроллеры с сенсорными дисплеями, при помощи которых в несколько кликов можно создать пошаговый рецепт процесса. Для каждого шага независимо задается скорость вращения, ускорение, направление вращения, доза подаваемого вещества. Таким образом, все параметры технологического процесса можно записать в рецепт, чтобы минимизировать влияние человеческого фактора. Современной лабораторной центрифугой управлять легче, чем мобильным телефоном, поэтому такое оборудование не только упрощает жизнь технологам на производстве, но и является доступным эффективным инструментом для обучения молодых специалистов.
Возвращаясь к рассказу о проекте «Большие вызовы», можно добавить, что юные исследователи занимались решением реальных инженерных, технологических и исследовательских задач на протяжении всей проектной смены. В завершение работы участники «Фестиваля проектов» представили экспертам и коллегам-школьникам полученные результаты. Важно подчеркнуть, что команды решали серьезные научные и технологичные задачи, нацеленные на достижение практических результатов и создание прототипов с перспективой их будущего внедрения в производство. Заявленные проекты достигли первоначальных целей: ребятам из проекта «Разработка газового сенсора на основе графена» удалось сделать флейки графена, подвести к графену нанопровода и создать прототип высокочувствительного газового датчика, а участники «Создания подложки для селективной эпитаксии нитевидных нанокристаллов для светоизлучающих диодов» разработали собственную технологию получения на подложке структурированных наноуглублений.
Важно отметить, что команды не ограничились первоначальными задачами. Школьники предложили множество идей для развития проектов и разработанных ими технологий. В дальнейших планах предусмотрена общая встреча участников команд в нанолаборатории физико-технического факультета Университета ИТМО в Санкт-Петербурге для продолжения работы над проектами и создания еще одной итерации прототипов. Лаборатории физико-технического факультета оснащены самым современным оборудованием, в том числе оборудованием для производства микроэлектроники, поставленного компанией «Диполь». Благодаря этим возможностям школьники смогут вывести свои прототипы и проекты на новый технологический уровень. Нам остается только поддержать их желание и способности.
