Лаборатория атомно-слоевого осаждения — одна из немногих по-настоящему инженерных лабораторий на Физтехе, которой удалось найти баланс между прикладной и научной деятельностью. Здесь все как полагается: патенты, статьи в журналах с высоким импакт-фактором, разработка технологий для промышленности, создание собственных научных методов и главное — команда настоящих профессионалов, увлеченных своим делом.
Еще до недавнего времени считалось, что метод атомно-слоевого осаждения (АСО) был изобретен в Финляндии доктором Туомо Сантола (Tuomo Suntola), который получил патент в середине 70-х годов прошлого века. Метод достаточно быстро стал развиваться, особенно в коммерциализированных областях. Но, как это часто случалось, и тут советские ученые оказались быстрее. Член-корреспондент Академии наук Валентин Борисович Алесковский еще в 1965 году, на несколько лет раньше Сантолы, независимо сформулировал принципы АСО и провел эксперименты, которые показали, что по слоям можно собирать структуры. В СССР были свои журналы, своя информационная структура, и ученые мало общались между собой. Поэтому сейчас широко признано, что метод независимо был открыт как минимум в двух странах: Финляндии и СССР.
Учеником Алесковского был профессор МФТИ Анатолий Павлович Алёхин, который и предложил создать на Физтехе лабораторию АСО. Руководство института встретило идею с интересом, потому что Анатолий Павлович понимал метод, стоял у его истоков, работая вместе с изобретателем. Институт одобрил покупку достаточно уникального современного оборудования. Так, в 2008 году возникла лаборатория атомно-слоевого осаждения МФТИ, которую возглавляет сегодня Андрей Маркеев, выпускник МИФИ и ученик Анатолия Алёхина.
«Я считаю, что у нас неплохая лаборатория, созданная чисто на Физтехе. Но пусть нас судят по количеству публикаций. Мы очень напряженно и требовательно работаем. У нас система, близкая к потогонной. Наши студенты защищают диссертации, выступают в качестве соавторов публикаций, постоянно участвуют в международных конференциях, — рассказывает Андрей Маркеев. — В прикладных областях можно очень легко превратиться в инженера, оператора, специалиста. Мы пытаемся сочетать все так, чтобы у нас оставалась наука, может быть, даже превалировала. Я считаю важным соблюсти баланс между инженерной, прикладной и научной деятельностью».
Лаборатория идеологически и формально относится к Физтех-школе электроники, фотоники и молекулярной физики. Метод оказался очень востребованным именно для микроэлектроники, где нужны тончайшие слои с очень высокой прецизионностью и качеством нанесения.
«Основное наше направление — слои, получаемые с помощью АСО, применительно для полупроводниковой памяти. Это очень важно, ведь памяти требуется все больше, — объясняет Андрей Михайлович. — По памяти у нас выделяется два блока. Первый — сегнетоэлектрическая память на новых материалах. В частности, используем оксид гафния, который оказался очень подходящим по своим технологическим параметрам для современной микроэлектроники. Оксид гафния известен больше 100 лет, но только в 2011 году в нем были обнаружены сегнетоэлектрические свойства».
И здесь команда Андрея Маркеева уже может похвастаться серьезными результатами. В лаборатории разработали чип памяти, главным функциональным элементом в котором является новый четырехкомпонентный диэлектрик, выращенный методом АСО, на основе оксида гафния с легирующими компонентами, которые позволили получить ресурс у памяти на порядок выше, чем у конкурирующих научных групп. Наши ученые достигли порядка 1011 циклов переключения, результат был опубликован в журнале ACS AMI. Это очень важно, потому что флеш-память выдерживает всего лишь 105 циклов перезаписи, что заметно ограничивает области её применения в некоторых типах памяти.
Второй блок — оксидно-резистивная память. Если взять простую структуру (диэлектрик и два электрода) и приложить к ней определенное напряжение, то может возникнуть электрический пробой МИМ-структуры.
Потом, если изменить полярность напряжения, то удается «залечить» сформировавшийся в процессе пробоя проводящий канал после чего структура опять перестает проводить ток. Различие в сопротивлении ячейки позволяет получить два разных состояния, иначе говоря, 0 и 1, что может быть эффективно использовано для создания энергонезависимой памяти нового поколения.
В лаборатории недавно удалось получить с помощью собственного метода оксидный диэлектрик с дефицитом кислорода.
«Этот метод устроен так, что мы должны получать качественные стехиометричные диэлектрики, но нам удалось подобрать реагент — активный водород, который позволил контролируемо иметь кислородную вакансию, то есть дефицит кислорода. Мы опубликовали пару статей об этом методе и выиграли два проекта в Российском научном фонде, что тоже помогает нам проводить эти исследования», — делится Андрей Маркеев.
Еще одно направление, несколько более экзотическое, связано с отечественной промышленностью. В лаборатории научились получать оксид титана в определенной кристаллической модификации, который хорошо биосовместим с костной тканью. Для отечественного предприятия, которое производит до 10% титановых дентальных имплантатов, ученые разработали технологию и процесс покрытия титановых дентальных шурупов-имплантатов. В результате они приживаются за 2 недели, тогда как обычно этот процесс длится около 2–3 месяцев.
«Особенность нашей лаборатории в том, что мы пытаемся использовать диагностику in situ при выращивании слоев. Электронный спектрометр позволяет нам на любой стадии роста понять, что мы выращиваем, каков химический состав, какие примеси есть, каковы границы раздела. В результате удается исследовать свойства структуры намного быстрее, так как мы быстрее понимаем, что получается, а что не получается», — поясняет Андрей Маркеев.
Лаборатория АСО не обошла стороной тему и двумерных материалов. Одним из наиболее перспективных материалов является дисульфид молибдена, который ранее рассматривался исключительно как объемный материал, однако недавние исследования показали, что он, в силу своей кристаллической структуры при нормальных условиях, обладает рядом интереснейших свойств, если рассматривать его двумерные слои.По словам Андрея Маркеева, сейчас в науке стоит вопрос, как получать 2D-материалы в масштабах, которые интересуют электронику.
И именно на него собираются дать ответ на примере дисульфида молибдена ученые из МФТИ: «Наш план двухстадийный: мы надеемся, что если АСО позволяет хорошо растить оксиды, то в первую очередь мы вырастим сверхтонкий оксид молибдена на большой площади при помощи АСО, а затем воспользуемся высокотемпературными методами его сульфидизации, например, в сероводороде. Высока вероятность, что так мы наконец-то получим приемлемые площади двумерного материала».
Несмотря на такое количество задач коллектив лаборатории не очень большой: разнообразныхвместе со студентами получается всего одиннадцать человек. Основной специалист в области сегнетоэлектриков — Анна Черникова, она выиграла проект РНФ на три года. Максим Козодаев — ключевой человек по всем вопросам, но научно он сконцентрирован на четырехкомпонентной сегнетоэлектрической системе. В области резистивной памяти трудится Дмитрий Кузьмичёв. Недавно к коллективу присоединился Роман Романов, который занимается исследованием возможности применения АСО для создания двумерных материалов — дихалькогенидов переходных металлов. Это нормальные полупроводники с запрещенными зонами, с их помощью проще конструировать электронные приборы, чем только из графена, который является полуметаллом. А Юрий Лебединский — один из опытнейших людей в России по рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии.
Есть у лаборатории АСО и коллаборации с двумя научными центрами. С группой по диэлектрикам из Технического университета Дрездена написан ряд совместных статей. Также идет плотное сотрудничество по сегнетоэлектрикам и резистивной памяти с профессором Чеолом Сеонгом Хвангом (Сheol Seong Hwang) из Сеульского национального университета. Недавно он получил статус визит-профессора МФТИ.
