Что сдерживает внедрение разработок новосибирского Академгородка
Увидеть в тумане
Так называемый "термостатированный" корпус Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова (ИФП) СО РАН, расположенный на улице Пирогова новосибирского Академгородка, спрятан от посторонних глаз в сосновой роще. И не зря, ведь здесь в вакуумных камерах изготавливают уникальные полупроводниковые структуры, и даже крошечная пылинка может все испортить.
В институте разработан уникальный фотоприемник инфракрасного диапазона формата 2000 на 2000 элементов (четыре мегапикселя). Заходим в лабораторию, где соединяют матрицы и приемные устройства, а затем проверяют все четыре миллиона контактов - ювелирная работа.
- Мы изготавливаем фотоприемные модули на основе пленок кадмий-ртуть-теллур для детектирования инфракрасного излучения в диапазоне три-пять микрометров, - рассказывает заведующий лабораторией физико-технологических основ создания приборов на основе полупроводников Георгий Сидоров. - Область применения таких устройств довольно обширна: в медицине с помощью ИК-диагностики можно анализировать состояние организма человека; на производстве - отслеживать перегревающиеся элементы, чтобы вовремя устранять неполадки. Такие модули могут использоваться и в составе бортовой космической аппаратуры для дистанционного зондирования земной поверхности и других целей.
ИК-матрицы со столь высокой разрешающей способностью выпускает только одна компания в мире - американская. Успешно решив задачу импортозамещения, исследователи намерены двигаться дальше. Уже сегодня они готовы перевести тепловизор в более длинноволновую часть спектра.
- Наиболее актуальной является дальняя, длинноволновая область инфракрасного диапазона, - отмечает Георгий Сидоров. - Если у кого-то получится охватить все три основные области ИК-диапазона: один-три, три-пять, восемь-десять микрометров, то это будет уже настоящий "трехцветный" приемник.
Переход в дальний ИК-спектр позволит видеть в облаках, тумане, клубах пыли и дыма. Волны излучения в этом случае столь длинны, что буквально огибают частицы аэрозоля или капли тумана и свободно проходят сквозь облака и дым.
В ИФП уже сконструировали прототип "двухцветного" ИК-фотоприемника. Переход от монохромной картинки к цветной позволит на порядок увеличить количество получаемой информации.
Уникальные ИК-матрицы в институте выпускают десятками, сотнями штук, но промышленности нужны тысячи, десятки тысяч. Да и на экспорт такую продукцию поставлять можно, но академический институт - это не завод. Нужны другие подходы и масштабы.
Поймать вирус
В соседней лаборатории наноэлектронику объединяют с молекулярной биологией.
- Наша лаборатория занимается разработкой технологий и изготовлением биохимических сенсоров на основе тончайших - намного тоньше волоса - слоев кремниевого полупроводника. Любая частица, попадающая на поверхность сенсорного элемента, изменяет его проводимость. Это дает возможность детектировать с высокой точностью любые чужеродные частицы - например, белки-маркеры различных заболеваний, - поясняет заведующая лабораторией технологии кремниевой микроэлектроники Ольга Наумова.
Конечно, физики работают в тесном контакте с биологами. Так, совместно со специалистами Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН были получены успешные результаты по детекции микроРНК, которые служат маркерами рака легких. Широкую известность получил, например, разработанный в ИФП кремниевый наносенсор фемтомольной чувствительности, позволяющей обнаружить единственную молекулу патогена в капле жидкости.
Преимущество нанобиосенсора - в его универсальности: на кремниевую подложку можно нанести антитела или фрагменты нуклеиновых кислот и настроить его таким образом на диагностику самых разных заболеваний, как онкологических, так и инфекционных. При этом чувствительность наноэлектронного сенсора настолько высока, что болезнь можно распознать на самой ранней стадии.
Но когда сибирские нанобиосенсоры появятся в поликлиниках и больницах, сказать сложно. Ведь для проведения клинических испытаний нужны тысячи устройств, а институту такие масштабы не под силу. К тому же корпус на улице Пирогова был построен полвека назад по стандартам 1960-х, и развивать полупроводниковую наноэлектронику здесь уже невозможно. Технику, требующую помещений высочайшего класса чистоты, нельзя сочетать с коридорами с протершимся линолеумом.
Деньги на приборы
Чтобы ускорить процесс внедрения инноваций, в ИФП разработали проект Центра полупроводниковых нанотехнологий, включенный в программу "Академгородок 2.0". Пока он не получил финансирования (объем инвестиций - порядка десяти миллиардов рублей, срок окупаемости - семь лет), тем не менее в ИФП продолжают заниматься его проектированием, но в то же время ищут альтернативные пути внедрения своих разработок. Один из примеров - сотрудничество с новосибирским АО "Экран - оптические системы".
- Это наш давний и надежный партнер, с ним достигнута договоренность об организации производства гетероструктур типа А3В5, - рассказывает зам-директора ИФП по научной работе Александр Милехин. - Планируемый объем инвестиций составляет почти три миллиарда рублей. На основе наших разработок будет производиться элементная база для СВЧ-электроники, для опто- и радио-электроники, высокоскоростных линий связи и так далее. В ИФП подготовлены чистые помещения для технологического оборудования, которое уже изготавливается, также будем помогать индустриальному партнеру высококвалифицированными кадрами.
Еще один повод для оптимизма - возобновление финансирования закупки научных приборов.
- Из-за бесконечных реорганизаций в механизме управления наукой институт пять лет не получал денег на эти цели, но в настоящее время в рамках национального проекта "Наука" планируется обновление приборной базы институтов первой категории - делится новостью Александр Милехин. - Деньги уже начинают поступать.
Средства потратят, в частности, на закупку оборудования для двух молодежных лабораторий ИФП, созданных в начале года в рамках нацпроекта "Наука". В одной из них идут работы по созданию и исследованию так называемых "высокоаспектных наноструктур". Их свойства удивительны - например, они могут самоочищаться благодаря явлению сверхгидрофобности. Капли воды легко скатываются с поверхности с нановорсинками, собирая все частицы грязи и пыли на своем пути. Или можно создать присоски для ходьбы по стенам, скопировав секрет природы, который есть у небольших ящериц - гекконов.
В другой лаборатории будут проводить исследования с использованием ближнепольной оптической микроскопии и спектроскопии. Человеческий глаз не видит волны света короче 400 нанометров. Но с помощью современных технологий сибирякам удалось довести разрешение оптического метода до двух нанометров. Так что "нано" все-таки можно увидеть своими глазами.
Предполагается, что в составе Центра нанотехнологий будет четыре блока. Блок кремниевых технологий обеспечит создание структур размером в несколько тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Подобные масштабы необходимы для создания наногетероструктур на основе кремния для наноэлектроники, нанофотоники и оптоэлектроники, структур для сильноточной и радиационно стойкой электроники, микродатчиков и сенсоров для космической,
авиационной и автомобильной промышленности, компонентов мобильных вычислительных устройств, медицинских и ветеринарных систем мониторинга и сенсоров для клинических тестов.
Блоки Центра технологии материалов групп A3B5 (на базе соединений галлия, алюминия, индия, азота, фосфора) и А2В6 (соответственно, кадмия, ртути, теллура) будут специализироваться на низкоразмерных системах и элементах для СВЧ-электроники, опто- и радиоэлектроники. В задачи этих блоков также должно входить создание материалов, элементов и устройств для инфракрасных фотоприемных приборов нового поколения, в том числе космических, антитеррористических, мониторинговых.
Блок новых материалов займется разработкой полупроводников, которые еще широко не используются в современной промышленности, но их внедрение позволяет ожидать прорывы в недалеком будущем. Это, в частности, системы на основе графенов, графеноподобных материалов, силицена, германена, дихалькогенидов, оксидов цинка, метаматериалов, аддитивных технологий в наносистемах и другие.
И, наконец, в аналитическом центре планируется развивать электронную компонентную базу, работающую на новых физических принципах (топологические изоляторы, квантовые системы, трехмерные наносистемы, элементы энергонезависимой памяти и другое). Центр должен быть укомплектован самым совершенным аналитическим оборудованием для диагностики, контроля, визуализации материалов, структур и устройств с нанометровым пространственным разрешением.