Новосибирские физики разработали нанометровую линейку на основе атомных ступеней
На сегодняшний день это единственный вид мер в России и мире, охватывающий диапазон от сотых долей нанометра до десятков нанометров. Обычно для измерения объектов размером в доли нанометра и десятки нанометров используются разные масштабные линейки, что приводит к увеличению количества искажений и ошибок. Подробности разработки сибирских учёных опубликованы в журнале Американского химического общества ACS Applied Materials & Interfaces.
Мера высотой 26,025 нанометра. Изображение получено с помощью атомно-силового микроскопа. Резкая макроступень внизу изображения состоит из 83 моноатомных ступеней высотой 0,31356 нм, которые подсчитываются на разреженном участке вверху изображения (штриховой прямоугольник, его увеличенный фрагмент приведён справа)/ Источник: Dmitry V. Sheglov et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023
Апробированные кремниевые меры высоты и плоскостности, разработанные учёными Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН, востребованы среди производителей высокоточной измерительной аппаратуры (в частности, атомно-силовых микроскопов), на предприятиях микро- и наноэлектроники и высокоточного машиностроения.
В 2019 году Международное бюро мер и весов в Париже приняло параметр кристаллической решётки кремния в качестве вторичной реализации определения метра в связи с растущей необходимостью проводить измерения в наномасштабе. Это требуется производителям интегральных схем, специалистам, занимающимся разработкой новых материалов, установлением фундаментальных закономерностей функционирования наномира, производителям высокоточного оборудования. Использование первичного эталона метра, который определён как расстояние, которое свет проходит в вакууме за 1/299792458 долю секунды, не позволяет проводить измерения объектов субнанометрового размера с нужной точностью из-за физических ограничений. Соответственно, чтобы применять параметр кристаллической решётки кремния как вторичный эталон метра, необходимо создать комплект линеек — мер, использующих моноатомные ступени кремния. Именно такой комплекс мер создали учёные ИФП СО РАН.
«Отличие наших мер от тех, что широко используются сейчас, это прослеживаемость: мы можем одновременно измерить объекты, размеры которых — доли нанометра и десятки нанометров. Наши меры перекрывают весь диапазон от 0,3 до 100 нм. На сегодняшний день для измерения объектов в сотни нанометров используется одна линейка, а для единиц нанометров — другая. Это приводит к определённым сложностям: проводится компарирование (сличение) линеек, определяется масштаб неизбежно возникающих ошибок», — говорит заместитель директора по развитию ИФП СО РАН, первый автор статьи в ACS Applied Materials & Interfaces кандидат физико-математических наук Дмитрий Владимирович Щеглов.
Мера плоскостности представляет собой идеально гладкую поверхность кристалла кремния диаметром до миллиметра, а мера высоты — «стопка» атомных слоёв кремния — может варьировать от одного до нескольких сотен слоёв. Высота одного атомного слоя — 0,31356 нанометров. Такие масштабы сложно представить — это примерно в двести тысяч раз тоньше человеческого волоса.
Источник: пресс-служба ИФП СО РАН
С помощью новых мер можно проводить измерения объектов, размеры которых сопоставимы с атомными и даже меньше их, постоянно уменьшающихся элементов электронно-компонентой базы или квантовых наносистем, фрагментов молекул ДНК, структурных особенностей углеродных нанотрубок или каталитических наночастиц. Меры могут использоваться для усовершенствования и калибровки измерительного оборудования: оптических и атомно-силовых микроскопов, развития физических основ новой электроники.
«Для этих мер сотрудники Всероссийского научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) разработали паспорт и руководство по эксплуатации. Также были проведены экспериментальные исследования, показавшие, что меры соответствуют заявленным метрологическим характеристикам. Ранее меры высоты были включены в Федеральный информационный фонд (ФИФ), что позволяет использовать это средство измерения в сферах государственного регулирования, а дополнительно — в качестве эталона определённого ранга в поверочной схеме. За разработкой поверочной схемы нужно обращаться во Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева, где хранится первичный эталон метра», — объясняет начальник отделения ВНИИОФИ, доктор технических наук Владимир Леонидович Минаев.
Разработка подобных мер стала возможна благодаря использованию эффекта, открытого директором ИФП СО РАН академиком Александром Васильевичем Латышевым в конце 1980-х годов: явления эшелонирования атомных ступеней под действием постоянного тока. После скола или отжига в вакууме поверхность любого кристалла не является идеально ровной в наномасштабе: визуально она напоминает террасные рисовые поля на склонах гор в Юго-Восточной Азии. На ней есть участки, состоящие из атомов плоскостей (террас), расположенные на различных высотах. При этом минимальная разница высот таких плоскостей будет равна одному атому, а граница между плоскостями является моноатомной ступенью.
Воздействуя на кристалл кремния постоянным током, можно разогнать ступени и увеличить площадь гладкой поверхности или собрать нужное количество ступеней в более плотную лестницу — эшелон ступеней и, соответственно, точно определить его высоту.
«При создании наших мер мы действуем по методу «снизу вверх» — используем фундаментальные физические свойства материи на атомном уровне, чтобы с помощью изменения макропараметров (приложенного поля, температуры и так далее) система сама превращалась в то, что нам нужно. Такой подход называется использованием процессов самоорганизации: мы ничего от макрообъекта не отрезаем, не используем химическое травление, литографию, как это происходит при создании большинства существующих сегодня мер методами «сверху вниз». Мы научились управлять поверхностью кристалла кремния фактически с атомной точностью и использовать кинетические нестабильности. Упрощённо говоря, управлять движением атомных ступеней, как потоком машин на дороге, собирая их в пробку или рассеивая, включив красный или зелёный сигнал светофора», — добавляет Дмитрий Щеглов.
Принцип действия процессов самоорганизации учёный поясняет образно:
«Представим, что стоит задача создать какой-то сложный объект: на завод привезли современный ноутбук, и нужно создать такой же. Если создавать с помощью процесса «сверху вниз», нужно каждую деталь разобрать, понять, из чего она сделана, а затем выстроить технологии производства подобных деталей. А процесс «снизу вверх» работает иначе: понимая фундаментальные законы мироздания, разработчик делает преграду с заданным составом и рельефом, с необходимой энергией ударяет об неё, допустим, калькулятор, и тот превращается в ноутбук. Такая «волшебная» задача не всегда имеет решение (точнее, почти всегда не имеет), но иногда решение есть для определённых систем, как в нашем случае».
Кто может использовать меры?
«В наших мерах заинтересованы производители атомно-силовых, оптических микроскопов, кроме того, мы сами ведём разработку специальных микроскопов нового типа в рамках гранта Российского научного фонда № 19–72–30023. Меры могут применяться в оптических схемах, в том числе схемах квантовой передачи информации, использоваться там, где требуется высокоточная синхронизация систем на Земле и в космосе (GPS, GLONASS). Другой вариант — меры нужны в научных экспериментах: атомно-гладкие поверхности мы передавали в Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, ФИЦ «Институт катализа им. Г.К. Борескова» как подложки для исследований. Такая поверхность может выступать одновременно и подложкой, и линейкой, и в этом тоже её преимущество», — комментирует Д. Щеглов.
Владимир Минаев добавляет, что ему неизвестны другие комплексы мер, охватывающие диапазон от десятых долей нанометра до сотен нанометров:
«Существуют меры компании VLSI (США) от десяти нанометров и более, но менее одного нанометра я не встречал. В своей работе я рекомендую меры, созданные специалистами ИФП СО РАН, разработчикам и пользователям атомно-силовых, растровых электронных и интерференционных микроскопов, для которых важен субнанометровый диапазон, так как других мер в этом диапазоне нет. Пока этот диапазон не очень востребован, насколько мне известно. Единственные, кто делает измерения в нем, — изготовители лазерных зеркал: для них очень важно получить шероховатость в ангстремном диапазоне (десятые доли нанометров). На текущий момент их приборы калибруются мерами высоты, имеющими размер десятки нанометров, думаю, что рано или поздно потребуются меры на меньший диапазон».
Сейчас атомно-гладкое зеркало, созданное в ИФП СО РАН, уже используется в уникальном приборе — интерференционном микроскопе, который разработан совместно специалистами ИФП СО РАН и Конструкторско-технологического института научного приборостроения СО РАН. Микроскоп позволяет вести быструю неразрушающую диагностику особенностей рельефа поверхности нанообъектов: регистрирует перепады высот порядка десятой доли нанометра. Обычно для подобных задач, решаемых при создании новых материалов, в исследовательских процессах, промышленной диагностике используется атомно-силовой микроскоп. Но, во-первых, его игла воздействует на поверхность, изменяя её, во-вторых, сканирование на атомно-силовом микроскопе длится в несколько раз дольше, чем исследование с помощью оптического прибора.
Во многом эта разработка — комплекс мер — опережает существующие технологии (не везде нужна такая точность измерений) и находится в начале индустриального применения. Учёные считают, что на данном этапе оптимально было бы создать прибор, который позволит использовать потенциал разработки по максимуму, что в итоге даст хороший эффект по отношению к существующим индустриям: микроэлектронной отрасли, отрасли научного приборостроения, высокоточного приборостроения.
«Если это (создание такого прибора) получится, то необходимо будет передавать для внедрения уже готовый прибор, в основе которого лежат меры, а не сами меры отдельно», ― отмечает Дмитрий Щеглов.
