Физики создали наноиглы для сверхминиатюрной электроники при помощи луча-бублика
Москва. 31 мая. INTERFAX.RU - Международный коллектив физиков, в который входили сотрудники Института теоретической физики (ИТФ) имени Ландау, придумал способ создавать сверхтонкие – размером в несколько десятков атомов – элементы для наноэлектроники при помощи лазерных лучей в форме бублика (вихревых пучков) из высокоэнергичных фотонов. Точности других технологий не хватает, чтобы получать подобные структуры.
Находка ученых (статья с ее описанием опубликована в журнале Applied Physics Letters) сталa неожиданным результатом исследования другой темы: физики пытались понять, как рентгеновское излучение постепенно разрушает многослойные зеркала, используемые для его фокусировки. Такие зеркала необходимы для создания аппаратуры, при помощи которой можно изучать сверхмалые объекты. Кроме того, без зеркал, фокусирующих жесткое излучение, невозможно конструировать микросхемы с нанометровыми элементами.
Сегодня размер подобных элементов составляет 20 нм, и чтобы их уменьшить, необходимо использовать излучение с еще меньшей длиной волны. "Но такой свет становится очень жестким, и обычное стекло ни отклонить, ни отразить такие фотоны не может, оно их поглощает. Чтобы сфокусировать луч, используют особые зеркала, изготовленные из нескольких слоев различных материалов, – объясняет Василий Жаховский, ведущий научный сотрудник ВНИИ автоматики имени Духова и сотрудник ИТФ имени Л.Д.Ландау. – От обычного зеркала отражается незначительная доля жесткого излучения. В многослойном зеркале происходит усиление отражения за счет интерференции от разных слоев, и в итоге коэффициент отражения может достигать 70%".
Однако жесткое излучение, фотоны которого несут большую энергию, неминуемо портит зеркало. Чтобы понять, какие процессы происходят с его поверхностью, исследователи "бомбардировали" зеркало из нескольких слоев хрома и золота высокоэнергетическими фотонами при помощи лазера на свободных электронах SACLA в Японии. В более ранних работах было показано, что обычный луч (его называют гауссовым, потому что интенсивность луча распределена по гауссиане), имеющий максимум яркости на центральной оси пучка, выбивает из зеркала несколько слоев хрома и золота, оставляя на месте воздействия характерный кратер – похожий на те, что оставляют упавшие на Землю метеориты.
Вихревой луч
В новом исследовании физики использовали так называемый вихревой луч (vortex beam), интенсивность которого распределена по кольцу вокруг его оси – то есть яркость такого луча распределена в форме бублика. Оптические вихревые лучи известны с 1990-х годов, а вот рентгеновский вихревой луч удалось создать лишь несколько лет назад. В новой работе длина волны луча составляла несколько ангстрем, до сих пор получить столь жесткий вихревой луч не удавалось.
Когда экспериментаторы из японской части коллектива под руководством Йосики Комура облучили зеркало вихревым лучом, на поверхности вместо типичного кратера образовалась кольцевая выемка с тонкой микроиглой, возвышающейся в центре (см. рис. 1). "Это выглядело непонятным, как будто вещество из выемки собралось в центральной игле, там где интенсивность пучка была очень малой, – говорит Жаховский. – Чтобы объяснить результат эксперимента, мы рассчитали траектории всех атомов хрома и золота, которые подверглись воздействию луча – это примерно 100 млн атомов". Такое поатомное моделирование поведения системы называется методом молекулярной динамики.
Микроигла в условиях атомной бомбы
Оказалось, что при лазерном импульсе длительностью в несколько пикосекунд (пикосекунда – одна триллионная доля секунды) в месте наибольшей интенсивности пучка – то есть по кольцу – резко растут температура и давление.
"Давление достигает в пике 200 тысяч атмосфер – такие условия характерны для детонации небольшой атомной бомбы. Это колоссальное давление возникает на несколько пикосекунд в очень маленьком пространстве кольца диаметром всего 2 микрометра, – рассказывает Жаховский. – В таких экстремальных условиях вещество зеркала плавится и стремится расшириться. Однако слои разных металлов по-разному участвуют в этом процессе – потому что золото и хром нагреваются неодинаково. Так как золото поглощает в 4 раза больше рентгеновских фотонов, оно полностью превращается в пар, а хром остается в жидком состоянии. В итоге температура хрома значительно меньше, и его слои сохраняются в виде гибких пленок. Получается что-то похожее на сильно накачанное колесо, внутри которого под эластичной покрышкой из расплава хрома находится золотой пар под огромным давлением".
При этом в центре пятна воздействия, где интенсивность луча близка к нулю, остается холодный остров. Пузырь из хромовой пленки в виде колеса прикреплен к нему, и пленка стягивается к оси над островом в процессе расширения пузыря. В результате над островом образуется тонкая струя из чистого хрома. Так как слой прогрева небольшой, вся система быстро остывает, и струя затвердевает. В результате формируется микроигла. Если увеличить интенсивность импульса, хромовые пленки также превратятся в пар и улетят, и центральная игла будет состоять только из золота, поднявшегося из более глубоких слоев (см. рис. 2).
Польза от новой работы
Ученые не только объяснили, почему при воздействии вихревого луча лазера на зеркале образуются мироиглы, а не кратеры. Новая работа показала, что, используя лазер с необычным профилем луча и многослойные подложки, можно получать весьма сложные архитектурные наноэлементы на поверхности.
"Гауссов луч просто создает на поверхности кратер, с его помощью невозможно получать наноэлементы заданных форм. Теоретически, можно вращать зеркало, используя гауссов луч как перо, но на практике достичь нужной толщины пера и точности вращения невозможно. А профилированные лучи могут работать как типографские оттиски: они сразу штампуют элементы соответствующей формы", – поясняет Жаховский. Описанная учеными технология позволяет производить микросхемы с элементами толщиной 2-4 нм, то есть в несколько атомов. Кроме того, регулируя параметры лазерного воздействия, можно получать элементы различного химического состава.
Как объясняет исследователь, вычислительный метод молекулярной динамики можно применять для моделирования любых мишеней, чтобы смотреть, какие структуры будут получаться при воздействии лучей различной геометрии. Такой подход позволит экономить огромные средства, которые потребовались бы для проведения экспериментов на ускорителях. "Более того, сам по себе результат эксперимента мало что говорит нам о физических процессах вызванных экстремальными условиями в веществе после лучевого воздействия. А для того чтобы создавать элементы заданных форм и химического состава, необходимо понимать эти процессы детально".
Где пригодятся иглы
Полученные в эксперименте на SACLA иглы можно использовать уже сегодня: они работают как наноантенны и сверхчувствительные сенсоры. Если расположить недалеко друг от друга много подобных элементов и воздействовать на них слабым оптическим лучом, на иглах многократно усиливаются электрические поля. В результате возникают электронные волны – поверхностные плазмоны. Они реагируют на появление поблизости даже отдельных молекул. Другими методами достичь такой чувствительности пока невозможно.
"Подобные макроскопические "поля" элементов, размер каждого из которых сравним с длиной волны падающего на них излучения, называют метаповерхностями, – поясняет еще один соавтор работы, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник сектора плазмы и лазеров ИТФ имени Л.Д. Ландау Наиль Иногамов. – Их свойства – коэффициент отражения, трение, прочность каталитические характеристики – кардинально отличаются от гладкой поверхности. Это позволяет создавать уникальные приборы. Например, метаповерхности с "неправильным" коэффициентом отражения могут служить основой наносенсоров, фотолюминесцирующих в присутствии каких-то молекул или воздействий".
