Сотрудники лаборатории тонкоплёночных технологий : Самардак Александр Сергеевич – доцент кафедры компьютерных систем ШЕН ДВФУ, Огнев Алексей Вячеславович – заведующий лабораторией пленочных технологий ШЕН ДВФУ, доцент кафедры компьютерных систем, во главе с Чеботкевич Людмилой Алексеевной, профессором кафедры физики низкоразмерных систем ШЕН ДВФУ, рассказали об истории становления великолепно оснащённой лаборатории и проводимых ими исследованиях.

Коллектив лаборатории плёночных технологий ДВФУ. Фото NNN

Расскажите о направлениях работы вашей лаборатории

Огнев: Основное направление научной деятельности лаборатории и всей научной группы – исследование магнитных материалов, а точнее – изучение взаимосвязи между структурой, формой, размерами и магнитными свойствами наноструктур.

Как давно вы занимаетесь именно наноразмерными структурами?

Самардак: Тематика складывалась на протяжении последних 20–30 лет. Всё начиналось с изучения пленочных структур.

Чеботкевич: Научное направление деятельности лаборатории сформировалось следующим образом: в университете в свое время работала Валентина Владиславовна Ветер, ученица профессора Керенского из Красноярска. Я была ееё ученицей, так началась и развивается наша история. В советское время у нас были устойчивые связи с военными и с Зеленоградом. Мы начинали с разработок памяти на цилиндрических магнитных доменах (bubble domains).

Самардак: Это научное направление называется bubble-memory, оно было очень популярно за рубежом и в Советском Союзе. В конце 80-ых- начале 90-ых прошлого столетия от этой концепции записи отказались в связи с переходом к более дешевой и плотной продольной памяти на основе тонких магнитных пленок.

Чеботкевич: В Зеленограде стояла задача получить объект, где был бы сформирован миллион цилиндрических доменов, но в итоге желаемый результат не был получен. После перестройки Зеленоград ликвидировал это направление как таковое, в Советском Союзе перестали этим активно заниматься, и мы перешли к работе с трехслойными пленками, и далее «спустились» уже к нано масштабам.

Огнев: Трехслойные пленки нашли широкое применение в считывающих головках «жестких» дисков. В основе их действия лежит эффект гигантского магнитосопротивления. Сейчас технологи перешли от продольного к перпендикулярному способу записи информации с более высокой плотностью и используют несколько другой эффект – туннельное магнитосопротивление. Это позволило повысить плотность записи информации на несколько порядков, и теперь на рынке мы можем приобрести уже терабайтные носители.

В те годы исследования имели какой-то практический выход, или вы занимались теорией?

Ч: Мы занимались в основном фундаментальными исследованиями, но раньше, еще при советской власти, когда мы делали доклады на конференциях, мы получали заказы на практические разработки. Сначала я занималась массивными материалами, потом возник интерес к двумерным материалам – пленкам, после мы изучали трехслойные нанопленки с размером прослойки порядка 10–20 ангстрем. На данный момент мы перешли к одномерным и нульмерным структурам – нанопроволокам и наноточкам.

О: Работа с наноразмерными структурами стала возможна благодаря победе Университета в конкурсе высших учебных заведений, внедряющих инновационные образовательные программы в 2006 г. В проекте «Научно-образовательный ресурсный центр технологий повышения качества жизни на Российском Дальнем Востоке» была часть, посвященная нанотехнологиям. В университете нанотехнологии как таковые представляют 2 группы – группа электронной микроскопии под руководством В.С. Плотникова, и наша лаборатория, где мы изучаем магнитные наноструктуры. Руководство университета сделало ставку на оснащение университета фундаментальным оборудованием: дорогостоящими электронными микроскопами, установками для получения наноструктур и проведения полного цикла исследований.

Основные средства этого гранта, полученного в 2006 году, были потрачены на развитие отдельных кластеров, которые явились точками роста университета. Мы стали ответственными за сектор наноэлектроники и нанотехнологий. В результате тогда было закуплено оборудование на 200 млн. рублей: установки для получения наноструктур от Omicron, исследовательское оборудование от NT-MDT, магнетометры. Лаборатория электронной микроскопии также получила оборудование, в основном исследовательское. В общей сложности на нанотехнологии университет потратил примерно 1/3 полученного гранта.

После получения господдержки мы участвовали в ФЦП «Развитие наноиндустрии». Нами был заявлен проект на 128 млн. рублей, в рамках которого мы решили развить направление, связанное непосредственно с наноиндустрией. Были закуплены оборудование для литографии, установки для травления, нанесения покрытий – этот комплекс позволяет нам осуществлять полный цикл производства от возникновения идеи до создания экспериментального образца.

Техника была подобрана так, чтобы можно было работать в одном месте, в университете, от этапа проектирования до изучения всех свойств объекта. Это уникальный случай в России. В результате мы смогли перейти от исследования объемных материалов и двумерных объектов к изучению одномерных и нульмерных наноструктур. Этот шаг стоил нам 300 млн. рублей. В итоге мы получили существенный рост публикаций – с 2-х до 12-ти в год. Если посчитать все выигранные отечественные и зарубежные гранты, то за 5 лет мы смогли окупить 2/3 средств, потраченных на оборудование.

Теперь, когда мы показываем наш задел, подавая заявку на гранты, заинтересованные заказчики знают, что с нашим оборудованием и специалистами мы способны сделать многое. Более того, наработанный опыт и результаты позволяют нам выходить на международный научный рынок, завязывать контакты с коллегами из зарубежных университетов.

Л.А. Чеботкевич

Вы используете это оборудование единолично, или позволяете работать другим в рамках ЦКП?

О: При желании можно к нам обратиться, но есть свои тонкости. Приборы являются очень сложными и важно не просто нажимать на кнопки, но и чувствовать весь процесс от начала до конца. Чтобы пригласить человека со стороны – его нужно обучить. А это долговременный процесс. Более продуктивный подход – исполнение исследований на заказ.

В основном мы занимаемся фундаментальными научными исследованиями и нас практически не интересуют чисто инженерные задачи. Если кто-то хочет делать совместно с нами исследования – желательно оформить коллективный грант, который будет оценен экспертами и за который будет заплачено. Тогда будет интересно всем.

Каково сравнительное положение лаборатории, если иметь в виду весь Дальневосточный регион?

С: Во всем регионе ни у кого нет ничего подобного в этой области. Мы специально делали обзор ситуации в сфере нанотехнологий по всему Дальнему Востоку. Оказалось, что наша лаборатория – одна из немногих во всей России, где сформирован полный исследовательский цикл.

Когда Жорес Алферов приезжал в ДВФУ в 2010, он сказал, что еще нигде в России не видел настолько грамотно организованной и оснащенной научной лаборатории в сфере нанотеха. Анатолий Чубайс также был в восторге от лаборатории, и в 2010 году мы предложили РОСНАНО несколько наших проектов.

Что касается организации наноцентра совместно с РОСНАНО – тут у нас неудачный опыт. Мы планировали создать междисциплинарный наноцентр, целью которого являлось бы доведение разработок ученых ДВФУ до коммерческого продукта. Наша заявка не прошла по конкурсу, поэтому этот проект все еще на стадии обсуждения и доработки.

О: На острове Русском сейчас строится большой учебно-лабораторный корпус, куда будет перевезено все дорогостоящее оборудование, и, фактически, он будет превращен в наноцентр. Конечно, РОСНАНО могло бы вложить средства в покупку оборудования, интересного им. У нас в университете мы занимаемся в основном НИРС, и РОСНАНО может инвестировать средства в заключительный этап исследований, чтобы можно было получить опытный образец и технологию производства.

А.С. Самардак и А.В. Огнев

Существует ли региональная специфика? Вы имеете связи по всему миру, или все же активнее сотрудничаете с соседями: Кореей, Японией, Китаем?

С: Мы были недавно с рабочими поездками в Корее и Сингапуре. Там очень высокий научно-технологический уровень, но с их стороны нет особой заинтересованности в партнерских отношениях с российскими университетами, поэтому активнее мы работаем с Европой и США.

Сейчас Китай активно строит свою фундаментальную базу. У вас есть контакты с Китайскими университетами, лабораториями?

С: С китайскими учеными у нас нет совместных проектов, так как в Китае несколько иная политика в сфере развития науки. Они отправляют своих ученых в ведущие университеты по всему миру. Там есть особая программа финансирования. Многие китайские исследователи, даже не закончив контракты в Европе, возвращаются на родину, получая хорошие должности. Это позволяет Китаю активно идти вперед в научно-технологическом направлении развития.

Ч: ДВФУ поддерживает тесные отношения с Китайскими партнерами в основном в области строительства и инженерных технологий. Наши преподаватели ездят туда, мы реализуем программу обмена студентами, китайская сторона активно перенимает опыт. Они приезжают во Владивосток, учатся на отлично, строят научно-технологические центры у себя на родине на очень высоком уровне, получают большие деньги на развитие. В нашей области они идут на контакт, чтобы перенять наш опыт.

Как ВУЗ связан с коммерциализацией полученных в его стенах научных знаний?

О: Следует помнить, что у ВУЗа есть основные задачи: учить студентов, готовить профессиональные кадры. Чтобы вырастить специалиста, который будет востребован на мировом рынке, в частности физика, нужно, чтобы сами преподаватели занимались научной деятельностью. Во всех областях нужно иметь крепкую и устойчивую научную базу. Однако коммерциализация – это неприоритетная задача ВУЗа. Следить за возможностью коммерциализации, рассчитывать рентабельность должны другие специальные органы. Мы же будем учить детей, готовить профессиональные качественные кадры, и в свободное от работы время заниматься коммерциализацией разработок.

Нельзя на плечи ученых взваливать и разработку, и оформление, и коммерциализацию инновационных продуктов. Если человек ученый – он должен творить. Если же он начнет заниматься бизнесом и коммерцией, он забросит науку.

Вашей группе удавалось выходить с патентованными технологиями на мировой уровень?

Ч: Да, у нас есть патент совместно с компанией SAMSUNG, касающийся трехслойных пленок с сильной антиферромагнитной связью. Нам удалось получить домены очень маленького размера.

Сколько в университете иностранных студентов?

Сейчас их около тысячи, но к концу программы развития их количество должно возрасти. Чтобы привлечь иностранных студентов мы и должны соответствовать мировому уровню образования, построить и оснастить хорошие лаборатории, активно публиковаться в уважаемых изданиях и заниматься наукой.

Награды коллектива

Александр, расскажите, пожалуйста, о направлении своей деятельности, о вашем большом проекте?

C: В 2005 году я прошел краткосрочную стажировку в Университете г. Бата в Великобритании. После моего возвращения во Владивосток я получил приглашение из Бата участвовать в большом научном проекте. Я принял участие в конкурсе на получение временной позиции исследователя в Университете г. Бата и через несколько месяцев поехал туда работать. Это был проект, посвященный созданию искусственных полупроводниковых нейронов. Сначала мы исследовали единичный нейрон, затем задача заключалась в выращивании массива. Общепринятый подход заключается в создании компьютерной модели нейрона с нужными характеристиками. Здесь заведомо заложена ошибка  – компьютер последовательно обрабатывает данные, а мы пытаемся моделировать параллельную структуру. Наша идея заключалась в создании искусственного нейрона в «железе». Еще 60 лет тому назад известный американский физик Шокли провел очень близкую аналогию между электронами, дырками, донорами и акцепторами в полупроводниках и кислотами, основаниями, катионами и анионами в водных растворах. В биологических нейронах есть анионы и катионы, благодаря которым зарядовая волна распространяется вдоль мембраны от нейрона к нейрону. Опираясь на это знание, мы повторили структуру нейрона на основе монолитной полупроводниковой микроструктуры. Мы сформировали дендриты, сому, аксон. Полупроводниковая подложка была выращена в Оксфорде, затем я занимался литографией, проводил травление, делал контакты и исследовал электрические свойства. Нам удалось получить нейрон, повторяющий электрические свойства своего биологического собрата. Более того, искусственный нейрон проявил и стохастические явления, такие как стохастический и когерентный резонансы, свойственные биологическим объектам и позволяющие не терять информацию при передаче.

В 2005 году была открыта солитонная природа передачи сигнала в биологических нейронах. Природой устроено так, что нейроны мозга передают информацию с помощью уединенной волны – солитона, который не расползается при движении. Этот механизм позволяет мозгу не терять информацию в процессе обработки. В полупроводниковых структурах солитонные явления – обычное дело. Поэтому мы сейчас работаем над солитонным нейроном, который будет более эффективно передавать и обрабатывать информацию.

Этот проект выполняется совместно с английскими коллегами из университета Бата (University of Bath). Пока мы работаем без финансовой поддержки и надеемся вскоре получить грант на проведение исследований. Тематика вызвала большой интерес, мы получили хорошие отзывы, некоторые Российские компании также заинтересовались нашими исследованиями, этот проект вышел в полуфинал Зворыкинской премии, мы выиграл кубок Техноваций в МФТИ в 2010 году, но дальше дело пока не развивается.

Следующим шагом должна быть еще одна НИР, направленная на улучшение структуры, создание небольшой нейросети, которая позволит сделать ячейку ассоциативной памяти на основе логического элемента «отрицательное или». Такая память еще не сделана нигде в мире. Я предполагаю, что при помощи двух нейронов нам удастся легко реализовать такую ячейку памяти.

Также мы показали, что шум, подаваемый на нейрон, может усиливать полезный сигнал. И хотя на бытовом уровне это может восприниматься как парадокс, данный эффект можно будет использовать для усиления сигналов в различных устройствах, например в устройствах для плохо слышащих людей. Иными словами, когда подается шум, человек начинает гораздо лучше слышать, потому что амплитуда полезного сигнала увеличивается, складываясь с шумом. Это явление называется стохастическим резонансом. Он используется у многих животных, например, рыба-пила на фоне турбуленции воды, играющей роль шума, очень хорошо различает полезный сигнал от хвоста проплывающей добычи. На фоне шума она чувствует добычу гораздо лучше. Стохастические явления активно используются в кольцевых лазерах, триггерах Шмидта.

Хорошо известно, что мозг человека постоянно работает в зашумленной среде, и у исследователей был вопрос, как можно в таком потоке информации отслеживать что-то конкретное? Оказалось, что мозг работает лучше при постоянном фоновом шуме, так как благодаря стохастическим явлениям улучшаются параметры системы. Так японские ученые проводили эксперименты со зрением: на экран выводили фотографию и постепенно ее «зашумляли». Оказалось, что при определенном уровне шума картинка становится видна лучше. Сейчас в университете мы активно занимаемся магнитными явлениями: разрабатываем магнитные среды, которые могут быть использованы для создания высокоплотной энергонезависимой магнитной памяти, чувствительных магнитных сенсоров и магнитных датчиков. Ведется работа над исследованием нанопроволок диаметром 5–30 нм. На массивах таких нанопроволок можно сделать память плотностью около 10 Тбит/см2.

Как вы относитесь к переезду университета на остров Русский?

C: Переезд – это сложный процесс, особенно для нашей лаборатории, оснащённой выскокотехнологичным оборудованием. Все оно является сверхвысоковакуумным, поэтому его будет не просто демонтировать, транспортировать и снова смонтировать уже на новом месте. Пока лаборатории переезд не коснулся, поскольку с сентября нужно будет начинать учебный год, а лабораторный корпус на Русском еще не закончен. Перевоз оборудования потребует достаточно много времени, а мы не можем лишать студентов занятий.

Насколько вовлечены студенты в работу лаборатории?

С: Студенты довольно охотно приходят к нам работать. Сейчас в группе их около 10. На 2м курсе ребята выбирают специализацию и определяются с тематикой своих НИРС. Есть талантливые студенты, которым интересно, они очень нам помогают. Зачастую такие ребята работают с аспирантами, даже в каникулы.

Ч: Сейчас основная проблема в том, что выпускники школ приходят в университет с очень слабыми знаниями. Некоторые просто не доходят до 5-го курса. Конечно, встречаются ребята с достаточным багажом знаний, полученным от репетиторов, посредством дополнительных занятий.

С: В заключении могу сказать, что наш коллектив работает с оптимизмом, все заряжены очень сильной энергетикой. Постоянно появляются новые идеи, аспиранты и молодые ученые ездят на конференции, публикуют статьи. Нам нравится то, чем мы занимаемся, мы все охвачены общей идеей поиска нового знания, при этом выигрываем гранты и ничего ни у кого не просим, в этом плане у нас все в порядке.