Художник-невидимка

Современная литография — это технология, используемая для печати электронных схем на полупроводниковых кристаллах. Однако с помощью физических методов, когда тоненькая игла создаёт на подложке в определённом порядке наноразмерные неоднородности различных конфигураций (в виде капель, полос, зигзагов и т. д.), почти невозможно достигнуть точности более нескольких десятков нанометров — «картинка» размывается. У специалистов часто возникал вопрос: а можно ли отказаться от нанесения этих неоднородностей ручным или инструментальным способами и создать систему, в которой структура поверхности генерировалась бы сама? «На самом деле, это всё не так фантастично, — рассказывает Климент Кугель, старший научный сотрудник сектора теоретической электродинамики конденсированного состояния Института теоретической и прикладной электродинамики РАН. «Исследования последних лет показывают, что большинство систем, с которыми работают физики, — магнитные материалы, сверхпроводники, относятся к сильнокоррелированным электронным. Что это значит? В этих материалах происходит мощное взаимодействие между электронами, и в основном состоянии они являются не однородными ферромагнетиками или сверхпроводниками, а образуют сверхструктуры, например, полосочки или капельки ферромагнитного металла в антиферромагнитном диэлектрике».

Образование таких необычных структур носит название «мезоскопическое фазовое расслоение». В структуре диэлектрических материалов подобные металлические наноразмерные «рисунки» создаёт сама природа.

Сопротивление бесполезно

В последние годы выяснилось, что образование неоднородностей нанометровых размеров внутренне присуще многим сверхпроводящим и магнитным материалам. Такими веществами, к примеру, являются сложные магнитные оксиды на основе марганца. Типичный представитель этого класса соединений — манганит лантана (LaMnO3). В своём обычном состоянии этот оксид не проводит электрический ток, являясь антиферромагнитным диэлектриком. При легировании кальцием он становится ферромагнетиком, и в нём возникает проводимость. Причём наблюдается удивительное явление, получившее название колоссального магнетосопротивления. Учёным уже много лет было известно явление гигантского магнетосопротивления, при котором в магнитном поле сопротивление исследуемого образца уменьшается примерно вдвое. В случае с колоссальным магнетосопротивлением эффект ещё более впечатляющий: сопротивление изменяется не в два, а в десятки тысяч раз! Единственное, но очень значительное препятствие для его использования в приложениях —низкая температура, при которой можно наблюдать данный эффект, — от 150 до 250 градусов Кельвина. В азот компьютер не положишь, а при комнатной температуре результат этого эффекта, к сожалению, не отличается от гигантского. Вот и ломают исследователи голову, как бы сделать так, чтобы всё работало и при «комнате».

Заманчиво «приручить» материал, состоящий из сверхструктур, обладающих колоссальным магнетосопротивлением. Это привело бы к существенному прорыву в электронике, например, в технологиях изготовления микросхем. Но такие материалы — дело будущего. Пока же речь идёт о понимании того, как такие сверхструктуры можно создавать.

В компании с великими

Выяснение механизмов образования сверхструктур в различных материалах, а также управление самогенерирующимися магнитными и зарядовыми неоднородностями с июня 2005 года исследуют участники международного проекта Шестой рамочной программы ЕС под названием «Управление мезоскопическим фазовым расслоением» (Controlling Mesoscopic Phase Separation — CoMePhS).

«Вначале за решение этой научной задачи взялись великие люди, — рассказывает Климент Кугель, — учёные из Афин, Рима, Кембриджа, Лондона, Парижа, Кёльна, Цюриха. Среди них, к примеру, Питер Литлвуд — нынешний глава знаменитой Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете, в которой открыли электрон, искусственное расщепление атомного ядра и построили модель структуры ДНК. Другой знаменитый исследователь — Нобелевский лауреат Алекс Мюллер из Цюриха, открывший высокотемпературную сверхпроводимость. А с 1 января 2007 года и мы оказались в этой милой компании. Причём самое удивительное, что Литлвуд, под чьим руководством работают очень сильные теоретики, которые, казалось бы, должны относиться к нам как к конкурентам, дал нам самую лестную рекомендацию».

Помимо сотрудников Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, к проекту с прошлого года подключились химики-синтетики из Пекинского университета и учёные из Белградского университета, занимающиеся рамановской спектроскопией.

Работа в рамках проекта ведётся по блокам, среди которых: синтез новых материалов, определение оптимальных структур и текстур, характеризация физических свойств, манипулирование наноструктурами с использованием различных методов и поиск оптимальных свойств, обмен информацией и экспериментальными данными, теоретическое описание полученных результатов. Учёные взаимодействуют и в формате конференций, на которые собираются не только участники проекта, но и другие специалисты, имеющие интересные работы по данной теме.

Российский импульс

Каждая группа исследователей имеет свой план, где оговариваются цели, описание работы, возможные результаты. За время сотрудничества в новой команде нашим физикам удалось решить важный вопрос о соотношении уровня легирования магнитных оксидов и концентрации нанонеоднородностей, оценить их размеры и описать возможные типы их магнитной структуры. Вклад российской группы в общее дело уже соотносится с итогом предыдущих исследований их европейских коллег. По крайней мере, в последнем отчёте по проекту одно только перечисление результатов, полученных нашими учёными, по объёму равняется тому, что было наработано за полтора года до них.

«Долгое время считалось, что при легировании LaMnO3 большим количеством кальция (около 20%) получается однородный ферромагнитный материал, — объясняет Климент Кугель. — И вдруг нейтронщики и люди, которые занимаются электронной микроскопией, нам говорят, что и он неоднородный, что в металле всё равно плавают „льдинки" диэлектрика. И снова возникает вопрос — почему? Мы были вынуждены обобщать, предполагать, что, может быть, и ферромагнитные материалы неоднородны».

В целом европейский проект по изучению управления мезоскопическим фазовым расслоением пока что носит фундаментальный характер, однако его перспективная значимость для применения в промышленности может оказаться неоценимой.

Кроме участия в интернациональном консорциуме группа физиков из ИТПЭ РАН решает схожие задачи и по проекту ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2012 годы».