Университет ИТМО: нанотехнологии при помощи двулучевой станции ZEISS с системой нанолитографии RAITH

Университет ИТМО: нанотехнологии при помощи двулучевой станции ZEISS с системой нанолитографии RAITH

06.04.2016

Заведующий кафедрой нанотехнологий и материаловедения Университета ИТМО, доктор физико-математических наук Александр Олегович Голубок о современных тенденциях в нанотехнологиях, перспективных направлениях, о месте ИТМО в развитии нанотехнологий, а также о применении двулучевой станции ZEISS CrossBeam Neon 40 с приставкой Raith ELPHY Plus для создания и анализа микро- и наноструктур.

Сегодня о нанотехнологиях говорят все. Расскажите, пожалуйста, что это такое?


Есть формальное определение нанотехнологий: считается, если вы создаёте или имеете дело с объектами меньше 100 нм, то это область нанотехнологий. Но это не совсем правильно с точки зрения физики. Когда мы говорим о нанотехнологиях, дело не просто в размере — важны новые свойства и новые качества, которые мы получили и которые раньше были недоступны для изучения. Наноматериалы — это материалы, свойствами которых можно управлять за счет нанотехнологий.

itmo_01.jpg

 А как каждый из нас в обычной жизни с ними сталкивается? 

На самом деле, мы все уже давно пользуемся достижениями микро- и нанотехнологий в области фотоники, например, лазерами и светодиодами. И когда мы при помощи пульта дистанционного управления переключаем телевизор или открываем автомобиль, когда мы видим четкую цветную картинку на своем смартфоне или экране монитора, то в тот момент мы используем достижения микро- и нанотехнологий. Даже многие фонари и светофоры уже диодные. Микро- и нанотехнологии окружают нас в повседневной жизни, и приложений у них несчетное количество.

В медицине нанотехнологии можно упомянуть в связи с перспективным направлением адресной доставки лекарств для попадания в межклеточное пространство. Из будущего — активное применение в системах безопасности, поскольку сегодня проблема безопасности становится особенно актуальной. 

Вообще нанотехнологии — это та область, где работают физика, химия, информатика и моделирование в совокупности. Это сложная область, и результаты могут использоваться в абсолютно разных направлениях. На самом деле, не существует отдельно взятых математики, физики, химии и информатики. Есть природа, и чтобы разобраться в ней, ученые вынуждены были структурировать информацию о ней и разделить на разделы, иначе ее изучение было бы невозможно. А сейчас настало время снова собирать все вместе. Нанотехнологии — это как раз та область, где такое объединение происходит реально, на практике. Говорят, что не все исследования прикладные, просто некоторые исследования дают прикладной результат уже через год, а некоторые — через 50 лет.

Как был создан ваш центр нанотехнологий в Университете ИТМО?

В рамках программы развития наноиндустрии в России было организовано несколько десятков научно-образовательных центров в области нанотехнологий. Основные средства выделялись Министерством образования для того, чтобы создать в этих центрах современную приборную базу. Университет ИТМО выиграл конкурс и получил грант на создание такого центра. Так, 8 лет назад на базе Университета был создан научно-образовательный центр по направлению «Нанотехнологии», оборудование которого сосредоточено в пяти тематических кластерах, в основном, на факультете фотоники и оптоинформатики. 

ИТМО — это национально-исследовательский университет, он работает по программе «5-100». Конечно, для того чтобы выполнять исследования на высоком уровне, требуется самое современное оборудование, и мы действительно используем его в исследованиях, проводимых на различных кафедрах университета, которые решают свои задачи.

Для оснащения кластера, сосредоточенного на нашей кафедре, в том числе, был выбран современный и совершенно новый для нас прибор — двулучевая станция ZEISS CrossBeam Neon 40 с установленной приставкой Raith ELPHY Plus, который сейчас является нашим основным инструментом. С его помощью мы занимаемся не только визуализацией и диагностикой нанообъектов, но и созданием микро- и наноструктур, — это стало новым направлением в нашей работе. 

itmo_04.jpg

Это прецизионное оборудование с высокими требованиями к уровню вибраций. Оказалось, что в городе довольно трудно установить такой прибор из-за влияния различных источников вибраций. Тем не менее, такое помещение найти удалось. Оно удовлетворяет всем требованиям по уровню вибраций и электрических наводок. И, хотя здесь самый центр города, нас окружают Большая и Малая Нева, мы находимся вдали от трамвайных путей, и влияние метро также оказалось несущественным. В итоге, в этом помещении были созданы все необходимые условия для работы с прибором и проведения здесь исследований.

Расскажите, пожалуйста, о направлениях, где активно используется CrossBeam?

Если говорить про современные нанотехнологии, можно выделить три основных крупных раздела: диагностика высокого разрешения, создание наноструктур и наноманипулирование. CrossBeam используется во всех трех направлениях. 

Первое — это диагностика. Любая технология требует диагностики и контроля параметров. Когда мы работаем с нанообъектами, «на глаз» ничего узнать нельзя, поэтому тонкая визуализация и диагностика становится важнейшим моментом. Мы работаем с объектами, которые не видны даже в оптический микроскоп, но необходимо контролировать их параметры. С этой задачей справляется CrossBeam.

Второе — это создание наноструктур. В основном, все создают планарные наноструктуры. CrossBeam оснащен рядом приставок, позволяющих создавать объемные наноструктуры. Так, система газовой химии с определенными прекурсорами позволяет нам, фокусируя электронный пучок, разлагать металлоорганические молекулы и создавать металлоуглеродные вискеры, например, платиноуглеродные или вольфрамоуглеродные. На их основе мы создаем трехмерные каркасные наноструктуры. Подобными структурами мы активно занимаемся. Кроме того, наша система CrossBeam оборудована литографической приставкой Raith с широкими возможностями: можно прорисовывать необходимые структуры на образце и при этом контролировать все параметры.

Также активно развивается наноманипулирование — перемещение нанообъектов на нано- или микроскопические расстояния. Используя специальные манипуляторы, обладающие нанометровым шагом перемещения, мы перемещаем наночастицы с помощью специальной иглы. Если вместе с этим использовать сфокусированный электронный пучок, то можно манипулировать частицами, передвигать и собирать из них специальные наноструктуры, создавать наноантенны, моделировать фрагменты метаматериалов, создавать наномеханические осцилляторы. Сейчас многие занимаются нанотехнологиями, но мы в ИТМО начали работать в этом направлении до того, как это стало модным. 

itmo_02.jpg

Не могли бы вы рассказать подробнее о некоторых проектах, которыми вы занимались? Какие результаты были получены?

Например, мы занимаемся сейчас наномеханическими осцилляторами. Простейший осциллятор — это шарик на пружинке, совершающий колебания. А мы создаем вискеры, одномерные нитевидные структуры, которые можно раскачать, и они будут колебаться подобно шарику на пружинке. Мы измеряем их резонансные характеристики. Зачем это нужно? Есть чисто фундаментальный интерес к этим объектам с точки зрения квантовой механики. А есть прикладной — они могут работать как сенсоры. Частота колебаний такого вискера зависит от его массы. Если масса вискера изменилась, например, на него села одна молекула, то меняется и частота колебаний. Так вы можете взвесить одну молекулу. Есть работы, где даже отдельные атомы взвешивают на таких наномеханических осцилляторах. А сейчас появилась возможность создавать более сложные каркасные наноструктуры, создавать на их основе связанные осцилляторы, и это один из наших проектов.

А вот другое направление — оптические микрорезонаторы с модами типа шепчущей галереи, которые можно использовать в элементах фотоники. Это очень интересные и перспективные устройства. Название пришло из акустики: если вы в круглом помещении, например, в соборе, подойдете близко к стене и начнете «шептать», то звук будет распространяться по кругу, многократно отражаясь от стены почти без потерь, и, в конце концов, вернется к вам с другой стороны. Точно так же, за счет эффекта полного внутреннего отражения, свет может распространяться и в оптическом резонаторе микроскопического размера. При этом его характеристики могут быть даже лучше, чем у резонаторов, которые собраны из зеркал на оптическом столе или в корпусах лазеров и имеют размеры от сантиметров до километров, как, например, в лазерных гравитационных антеннах. Такие миниатюрные резонаторы с уникальными характеристиками могут использоваться в самых разных устройствах фотоники, лазерной техники, гибридных устройствах, в оптических системах обработки и передачи информации, — в общем, очень много перспективных приложений.

itmo_03.jpg
А есть ли междисциплинарные проекты, связанные, например, с биологией?

У нас на кафедре работает группа, которая занимается микрофлюидными системами. Её возглавляет профессор А.А. Евстрапов. Есть такое актуальное направление — LabonChip, или «лаборатория на Чипе». Можно проводить очень тонкие, например, химические эксперименты с молекулярными структурами или отдельными живыми клетками. В химии и биохимии требуется взять одно вещество или клетку, соединить с другим веществом, молекулярной структурой или другой клеткой и исследовать их взаимодействие. Оказывается, если воспользоваться развитыми кремниевыми микротехнологиями, то можно создавать микроканалы в кремнии или стекле и по этим каналам перемещать жидкости, встречать и перемешивать их потоки. Можно тонко разделять молекулы с помощью электрофореза: в электрическом поле разные молекулы в среде движутся с разными скоростями, таким образом, можно их разделять и детектировать. Подобные микрофлюидные системы — одна из наших тем. Можно существенно улучшать свойства таких систем, если в эти микроканалы встраивать наноструктуры. Мы можем создавать хроматографические структуры или ловушки для отдельных молекул и клеток. Это современное направление, которое активно развивается во всем мире. 

Не могли бы вы рассказать про ваши уникальные проекты или ваши разработки, где вы были пионерами?

Одна из наших уникальных разработок, которую мы ведем, в том числе, с использованием CrossBeam, — это модуль зондового микроскопа, который можно использовать в электронном микроскопе. Мы хотим создать конкурентное решение, которое объединит электронный и зондовый микроскоп в одной системе. В работе с материалами на наноуровне электронная и зондовая микроскопия каждая даёт свою информацию, они взаимодополняют друг друга. В электронном микроскопе, думаю, непросто определить механические свойства материала без дорогих специализированных устройств. А если вы совмещаете методы и используете зонд, то такие характеристики можно определять. Иногда это важно, например, в нанотрубках — там мало увидеть их размеры, необходимо измерить модуль Юнга и другие механические характеристики. Совмещение разных аналитических методов в одном устройстве — очень актуально. Ровно так же, как в любом нормальном сканирующем микроскопе всегда есть приставка рентгеновского микроанализа, скоро обычной станет приставка зондовая. Например, рентгеновский микроанализ – это уже обязательный элемент исследования, без него вы только видите, а тут — измеряете уже спектр и можете определять элементный состав. Если к этому добавить зонд — появляется набор новых характеристик и данных, которые мы можем получить. Фактически, мы уже сделали подобный прибор, сейчас дорабатываем окончательный коммерческий вариант.

Второе — мы делаем самостоятельно системы наноманипулирования с помощью совмещения электронного пучка и механической иглы. В системе CrossBeam есть специальный модуль, микроманипулятор, который позволяет механически работать с микрообъектами и перемещать их. Но был обнаружен эффект, когда под воздействием электронного пучка игла микроманипулятора заряжается и уже электрическим полем притягивает к себе объект. Можно не только механически его передвигать, но и подцеплять на острие и переносить на другой образец или в другую часть образца. И там контролируемо сбрасывать именно, куда необходимо. Эту технику мы усовершенствовали: сами создаём иглу, крепим её к манипулятору, и уже этим тонким нанометровым зондом проводим манипуляции. Это можно использовать для создания различных объектов, например, наноантенн и структурированных наносистем.

К вам обращаются из других учреждений за помощью в решении своих прикладных задач? 

Мы работаем на этом приборе для решения задач кафедры и общеуниверситетских. Но мы открыты и для смежных областей и совместных проектов. Мы активно работаем с Физико-техническим институтом имени А. Ф. Иоффе РАН: создавали элементы фотоники с модами типа шепчущей галереи, проводили исследования для ОАО «Авангард». 

Мы также участвовали в специальном образовательном проекте «РОСНАНО», в котором они организовывали обучение сотрудников своих проектных компаний, созданных для работы в наноиндустрии. Это была совершенно новая вещь — обучение проектных организаций «РОСНАНО». Представители пяти проектных компаний из Санкт-Петербурга и Казани слушали лекции, проходили практические занятия и знакомились с нанотехнологическим оборудованием, в том числе, со станцией ZEISS CrossBeam. Большое внимание уделялось практическим занятиям, умениям и навыкам. Это была переподготовка инженеров из разных областей с учетом перспективных задач в области нанотехнологий, которые решали их предприятия.

Похожие темы

Carl Zeiss , Raith , Нанотехнологии , Электронно-лучевая литография

Все истории успеха