18 октября состоится семинар "Органические мемристорные приборы и нейроморфные системы" (докладчик - Ерохин В.В., Курчатовский комплекс НБИКС-технологий)

Читать далее
16.10.2018

2 октября 2018 г., в 14 часов, в конференц-зале НИФТИ ННГУ, состоится семинар "Перспективные полимеры и их применение" (докладчик - д.х.н., проф. Хаширова С.Ю.).

Читать далее
01.10.2018

20 сентября 2018 г. состоится семинар производителя рентгеновских анализаторов PULSTEC INDUSTRIAL на тему "Рентгеновский контроль остаточных напряжений методом cosα"

Читать далее
18.09.2018

Коллектив НИФТИ ННГУ поздравляет Чувильдеева Владимира Николаевича с юбилеем!

Читать далее
04.09.2018

24 августа 2018 г., в 13 часов, в конференц-зале НИФТИ ННГУ состоится семинар Ю.В. Благовещенского, посвященный технологии плазмохимического синтеза нанопорошков.

Читать далее
23.08.2018

Ионно-лучевой синтез и модификация наноструктур на основе диэлектрических материалов с нанокластерами полупроводников и металлов

Ответственный исполнитель НИР по направлению: Лаборатория физики и технологии тонких плёнок

                                                                              

1. Разработка новых  научно-технологических решений по созданию тонкопленочных материалов и приборов для интегральной оптики, опто- и наноэлектроники

- Создание и исследование свойств планарных волноводных структур.

 

2. Разработка физических и физико-химических основ ионно-лучевого синтеза и ионного легирования наноструктур на основе диэлектрических материалов с нанокластерами полупроводников и металлов

-  Формирование наноразмерных включений элементов IV группы (кремния, германия, углерода и их соединений) полупроводников A3B5 (GaN, InN) и металлов (Au, Ag, Zr) в оксидных матрицах.

 

3. Разработка физических принципов ионно-лучевой обработки наноматериалов на основе кремния

-  Ионно-лучевая модификация функциональных характеристик новых материалов, сформированных с помощью самых разнообразных подходов.

 

4. Разработка физических принципов модификации свойств твердых тел ионными и фотонными пучками

-  Накопление дефектов и аморфизация полупроводников при ионной имплантации, вторичное дефектообразование, эффект дальнодействия.

 

 

 

 

 

 

1. Разработка новых научно-технологических решений по созданию тонкопленочных материалов и приборов для интегральной оптики, опто- и наноэлектроники

 

Разработка и изготовление принципиально новых устройств на основе тонких пленок требует как исследования структуры и свойств самих тонкопленочных материалов, так и разработки научно-технологических решений по формированию конкретных приборных структур на их основе. В период с 2000 по 2010 гг. совместно с Научным центром волоконной оптики при Институте общей физики РАН, Институтом химии высокочистых веществ РАН и по заказу международной компании Corning Glass в лаборатории был выполнен цикл фундаментальных и ориентированных исследований по созданию новых тонкопленочных структур и оптических устройств на основе различных оксидных материалов (силикатно-германатных, фосфатных и теллуритных стекол, стабилизированного диоксида циркония), в том числе легированных редкоземельными элементами. С применением методов магнетронного распыления и фотолитографии разработаны как пассивные, так и активные волноводные структуры на основе оксидных материалов, которые предназначены для использования в планарных оптических усилителях и волноводах с техническими характеристиками, необходимыми для замены эрбиевых волоконных усилителей в волоконно-оптических системах связи или электрических межсоединений в интегральных схемах.

Ряд практически важных эффектов был обнаружен и изучен в лаборатории при разработке структур эрбиевого планарного оптического усилителя на основе фосфатных и теллуритных стекол, диоксида германия, диоксида циркония, которые проявляют широкую полосу люминесценции в области дли волн ~ 1,5 мкм, используемой в волоконной оптике. Впервые показано, что имплантация ионов фосфора в пленки диоксида германия, легированные ионами эрбия и иттербия, может быть использована для усиления фотолюминесценции ионов эрбия на длинах волн ~ 1,53 мкм.

 Схема ввода лазерного излучения в планарный волновод

 Схема ввода одномодового излучения лазера в планарный волновод на основе пленки ZrO2(Y):Er3+:Yb3+ и спектры люминесценции ионов Er3+, измеренные на разном удалении от края волновода.

 

Перспективные направления применения тонкопленочных структур в наноэлектронике и нелинейной оптике основаны на внедрении в них металлических наночастиц, ответственных за эффекты кулоновской блокады и резонансного туннелирования, поверхностный плазмонный резонанс, высокое значение нелинейной восприимчивости. Сотрудниками лаборатории установлено, что при формировании металлических наночастиц в оксидных пленках методом ионной имплантации доля внедренных ионов, находящихся в наночастицах, может быть весьма высокой (до 25%). Это позволяет рекомендовать такие материалы для изготовления устройств нелинейной оптики. Изучение свойств тонких пленок стабилизированного диоксида циркония на кремнии, облученных ионами циркония или золота, выявило участие катионов матрицы в образовании наночастиц. Впервые обнаружена корреляция между наличием полосы плазмонного резонанса и проявлением каналов повышенной электронной проводимости, которые интерпретированы в рамках модели резонансного туннелирования через ионно-синтезированные металлические наночастицы.

 

 

 

 

 

2. Разработка физических и физико-химических основ ионно-лучевого синтеза и ионного легирования наноструктур на основе диэлектрических материалов с нанокластерами полупроводников и металлов

 

Метод ионной имплантации – один из наиболее перспективных для формирования наноструктурированных слоев. Это обусловлено несколькими причинами. Многие важнейшие типы наноструктур представляют собой наноразмерные включения одного вещества (полупроводников и металлов) в матрице другого вещества, например в диэлектрике. Формирование таких композиций включает обычно два этапа: образование пересыщенного твердого раствора атомов нужного элемента (элементов); отжиг, при котором происходит распад твердого раствора с выделением наночастиц этого элемента (элементов). Чтобы контролировать такой двухэтапный процесс, очень важно точно дозировать концентрацию растворенных элементов, при этом температура на первом этапе не должна превышать оптимальную температуру отжига на втором этапе. Ионная имплантация как раз и позволяет строго дозировано вводить атомы практически любого химического элемента в любое твердое тело на заданную глубину, определяемую энергией бомбардирующих ионов. Важно, что концентрация вводимого элемента не лимитирована физико-химическими факторами, а температура в отсутствие специального подогрева практически равна комнатной. Другое преимущество ионной имплантации состоит в возможности не только формировать наноструктуры, но и легировать их нужными примесями, а также изменять их морфологию, атомную структуру и свойства, используя то же самое оборудование, что расширяет диапазон свойств и функциональные возможности синтезируемых наноструктур. Успех коллектива лаборатории в области ионной имплантации в основном базируется на том, что было обеспечено эффективное использование обоих преимуществ.

Основным результатом проведенного комплексного исследования закономерностей ионно-лучевого синтеза наноструктур на основе диэлектрических материалов с нанокластерами полупроводников A4 (на основе Si, Ge, C), A3B5 (GaN, InN) и металлов (Au, Ag, Zr) является получение новых фундаментальных знаний об особенностях физико-химических процессов формирования и модификации многокомпонентных наноструктурированных материалов при ионной имплантации, о связи структурных, оптических и люминесцентных (перекрывающих видимый и часть ближнего ИК диапазоны спектра) свойств с режимами ионного синтеза. Эти знания необходимы для применения наноструктур в устройствах нанофотоники и наноплазмоники.

Впервые в мире экспериментально и теоретически установлено, что ионное легирование кремниевых наноструктур мелкой донорной примесью позволяет повысить эффективность люминесценции кремниевых наноструктур и снизить температуру отжига, что важно для совмещения метода ионно-лучевого синтеза наноструктур с традиционной микроэлектронной технологией.

Предложен и реализован оригинальный метод ионно-лучевого формирования светоизлучающих наноструктур на основе кремния, включающих аморфные и кристаллические нанообласти. В отличие от описанного выше подхода, характеризующегося переходом от менее упорядоченных структур к более упорядоченным, в этом случае реализуется обратный принцип – переход от порядка к беспорядку в рамках направления, получившего наименование «инженерия дефектов». Предложена уточненная модель люминесценции наноструктур на основе нанокристаллов кремния в аморфной матрице. Разработана четырехуровневая модель фотолюминесценции нанокристаллов кремния в оксидной матрице.

 Ионно-лучевой синтез нанокристаллов

Схема ионно-лучевого синтеза нанокристаллов (слева) и нормированные спектры фотолюминесценции при комнатной температуре ионно-синтезированных наноструктур (справа). На вставке приведено электронно-микроскопическое изображение высокого разрешения нанокристаллов Si в аморфизованной матрице Al2O3.

 

Данные результаты мирового уровня получены в рамках широкого международного сотрудничества (в частности, в составе международных консорциумов по проектам INTAS и рамочной программы Евросоюза), вошли в большое количество высоко цитируемых публикаций (статей, монографий), были многократно представлены на международных симпозиумах и послужили основой для поддержания, а в некоторых случаях и «регенерации» мирового признания Нижегородской (Горьковской) школы ионной имплантации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Разработка физических принципов ионно-лучевой обработки наноматериалов на основе кремния

 

Суть научно-технической проблемы, на решение которой направлены данные исследования лаборатории, состоит в необходимости построения единой картины физических явлений, имеющих место при ионно-лучевой обработке наноструктурированных материалов. Метод ионной имплантации успешно используется для создания наноструктур (ионно-лучевой синтез, инженерия дефектов), однако остается нереализованным ряд уникальных возможностей метода для получения заданного комплекса функциональных характеристик новых материалов, сформированных с помощью разнообразных подходов для широкого круга применений (от электронных до конструкционных и медицинских). При этом использование радиационной (ионно-лучевой) постобработки может заменить ресурсоемкое изменение технологического процесса в ходе синтеза материалов и кардинальным образом улучшить их функциональные характеристики или придать им новые свойства, необходимые для внедрения в технологический процесс.

Крупные достижения микроэлектронной технологии были во многом связаны с применением ионных пучков для изменения свойств полупроводниковых материалов и создания приборных структур на их основе. При этом ключевую роль сыграли фундаментальные знания в области радиационных эффектов при ионно-лучевой обработке. Эти эффекты были всесторонне изучены по отношению к объемным материалам, но применительно к перспективным полупроводниковым наноструктурам, в том числе наноструктурам на базе кремния (основного материала современной и будущей электронной техники), исследованы явно недостаточно.

 

 Схема изучения радиационных дефектов

 Схема, иллюстрирующая используемый подход для изучения радиационных эффектов при ионно-лучевой обработке наноматериалов.

 

Коллективом лаборатории установлены основные закономерности ионно-лучевого воздействия для широкого круга наноструктурированных материалов, который включает материалы на основе легированных редкоземельными центрами (Er, Yb) оксидов с нанокластерами, отличающимися химическим / фазовым составом и степенью пространственной упорядоченности, состоянием границы раздела нанокластер / матрица, кремниевых слоев с дислокационными люминесцентными центрами, тонкопленочных структур с наноразмерными проводящими областями, проявляющими эффект резистивного переключения, который используется для энергонезависимого хранения информации. Применение единого подхода для ионно-лучевой обработки ряда модельных наноструктур, при котором используется независимое (автономное) управление определенным фактором физической и физико-химической природы, позволяет выделить и оценить относительные вклады различных факторов. Определены условия, при которых радиационные эффекты при ионно-лучевой обработке обеспечивают положительное изменение функциональных характеристик материалов (люминесценции, оптических параметров, параметров резистивного переключения, радиационной стойкости и др.). На основе сравнительного анализа экспериментальных и расчетных данных установлены механизмы физических процессов, определяющие возможность управления функциональными характеристиками тонкопленочных наноматериалов и тонких приповерхностных слоев, как базовых элементов устройств опто- и наноэлектроники.

Разработаны компьютерные модели динамических процессов при ионном облучении гетерофазных наноструктурированных систем, позволяющих прогнозировать их поведение при ионно-лучевой обработке.

Ионно-лучевая обработка и анализ наноструктур

Оборудование для ионно-лучевой обработки и ионно-лучевого анализа наноструктур (слева) и пример компьютерного расчета радиационного повреждения наноостровков SiGe, расположенных на глубине 100-110 нм, при облучении быстрыми нейтронами.

 

Полученные результаты по физике взаимодействия ионов средних энергий с гетерофазными наноструктурированными объектами успешно используются для физического (компьютерного и имитационного) моделирования различных радиационных воздействий на наноматериалы и приборные структуры на их основе, в частности воздействия нейтронного облучения.

 

 

 

 

 

 

4. Разработка физических принципов модификации свойств твердых тел ионными и фотонными пучками 

Традиционной тематикой исследований коллектива лаборатории в области ионной имплантации являлись проблемы накопления дефектов и аморфизации в полупроводниках при ионной имплантации, а также физика ионного синтеза. В 70-х и 80-х годах прошлого века была разработана теория вторичного дефектообразования, изучены закономерности аморфизации Si, Ge, GaAs, InSb; обнаружено и исследовано явление аномального ионного распухания (свеллинга) InSb. Сформулирован принцип структурного соответствия при ионном синтезе, установлена возможность синтеза ряда ранее неизвестных фаз. Впервые установлен так называемый эффект дальнодействия. Суть эффекта дальнодействия состоит в том, что при облучении твердых тел частицами разных видов наблюдается изменение структуры и свойств на аномально больших расстояниях от зоны поглощения энергии частиц. Этот эффект, первоначально установленный для ионного облучения кремния, впоследствии был обобщен на случаи облучения электронами и фотонами, а также на другие виды воздействий (химическое травление, ультразвук, трение) и на другие классы твердых тел. Найдены основные закономерности одной из наиболее интересных разновидностей данного явления – малодозного эффекта дальнодействия при облучении металлов.

В последнее время установлена роль тонких диэлектрических слоев (естественного оксида) на облучаемой поверхности, роль дислокаций, уточнена модель эффекта и намечены пути управления его параметрами. Показано, что в кремнии, кроме изменения микротвердости, эффект проявляется и в изменении электрофизических свойств, а также в явлении обратного резерфордовского рассеяния. Обнаружена сверхдальняя передача возмущения, вызванного путем облучения кремния светом, вдоль гетерофазной границы раствора NaCl.

Модель распространения гиперзвуковой волны

Модель распространения гиперзвуковой волны в водно-солевом растворе.

 

Предложена модель эффекта дальнодействия, базирующаяся на явлении генерации электромагнитных волн миллиметрового диапазона в естественном оксиде, их преобразовании в акустические волны и действии последних на систему дефектов твердого тела. Распространение этих волн вдоль границы раствора с фторопластом на большие расстояния обусловлено взаимодействием акустической волны с кластерами, состоящими из ионов Na и молекул воды (такие кластеры известны) и имеющими упорядоченную ориентацию на границе раздела. Эти исследования представляют интерес для нового направления в биомедицине (“миллиметровая медицина”), которая использует миллиметровые волны в терапии и опирается на представления, сходные с изложенными.