«Мы занимаемся интеграцией нанотрубок в традиционные процессы микроэлектроники»

В студии Zelenograd.ru Иван Бобринецкий, на днях удостоенный Премии правительства РФ в составе коллектива ученых МИЭТ за разработку приборно-технологической базы формирования углеродных наноструктур для электронной техники. Сегодня мы поговорим о самой актуальной, «модной» и самой микроскопической области электроники — наноэлектронике

Иван Бобринецкий

Это интервью продолжает знакомство с фирмами «Наносенсор» и «РПСЛ», в которых работал и работает Иван Бобринецкий, начатое Zelenograd.ru в октябре 2009 года на выставке зеленоградских фирм, которая проводилась по поводу приезда в Зеленоград Анатолия Чубайса, главы госкорпорации «Роснано». Тогда 20–30 зеленоградских предприятий — резидентов особой экономической зоны и предприятий, родившихся на базе МИЭТ — представляли свои проекты с конкретными суммами требуемых инвестиций, которые могли бы заинтересовать «Роснано». Фирма «Наносенсор» представляла проект интеграции нанотрубок в традиционную микроэлектронику.

Иван, вы — сотрудник Центра «Нанотехнологии в электронике» МИЭТ и владелец собственной фирмы, работающей в этой области. Перечислите подробнее ваши должности и регалии.

В МИЭТ я пришел студентом, а сейчас я старший научный сотрудник научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология», а также являюсь председателем Совета молодых ученых МИЭТ и, как вы правильно сказали, генеральным директором фирмы «Наносенсор».

Расскажите о проектах, которые ведет ваша фирма?

Проекты, которыми мы занимаемся, связаны с научными результатами, получаемыми в Центре зондовой микроскопии. Здесь изначально направление было выбрано нашим руководителем — это нетрадиционные материалы и методы в электронике, в частности, в электронике квазиодномерных проводников, то есть проводников, диаметр которых сравним с единицами нанометров. Хочу привести пример: сейчас то, что мы понимаем под традиционной электроникой — это компьютеры с процессорами, имеющими минимальный размер элемента, единичного функционального транзистора, порядка 40 нанометров.

Наш проект — это сенсорная электроника на основе углеродных нанотрубок, представляющих собой углеродный графитовый лист, свернутый в цилиндр и имеющий диаметр порядка единицы нанометров. То есть, это созданный в процессе химической технологии материал, который обладает уже более чем на порядок меньшими размерами, чем современный транзистор в традиционных компьютерах. И направление наших исследований связано с общей электроникой на основе нанотрубок. Здесь были получены хорошие результаты в плане быстродействия, но осталась проблема интеграции, и мы занимаемся сейчас, по сути, решением этой проблемы — интеграции нанотрубок в традиционные процессы микроэлектроники.

Сейчас мы получили значительные результаты в электронике нанотрубок — это их высокая радиационная стойкость. Так что этот материал, даже оставаясь пока слишком дорогим для домашнего пользования в компьютерах, имеет широкие перспективы для применения в космических технологиях, где действительно актуально стоит проблема воздействия радиационного излучения.

Развитие нашей технологии привело, в первую очередь, к разработке разнообразных методов интеграции нанотрубки. И первым таким методом стала методика химического роста нанотрубок на кремниевых пластинах. Так возник проект установки нанотрубок для учебно-исследовательских целей CVDomna, который мы также представляли на этой выставке.

Эта установка разработана в рамках фирмы РПСЛ?

Да. Сейчас мы уже разрабатываем альтернативную технологию, так как не всегда удается совместить рост нанотрубок с приданием нужных функциональных свойств сенсорам на их основе. Сейчас мы разрабатываем альтернативные электрические методы, например, метод электрофореза, для интеграции изначально сделанных любыми методами нанотрубок, их дополнительной химической модификации, например, ДНК, которые с помощью электрического поля мы уже сажаем на кремниевую пластину. Развитием такой техники мы сейчас занимаемся в рамках компании «Наносенсор».

Компания РПСЛ: учебные нанотрубки из спирта

Вернемся к фирме РПСЛ, раз уж с нее все начиналось. Ее проект — учебно-исследовательский нанотехнологический комплекс, установка по синтезу углеродных нанотрубок. Он продается сейчас? Как фирма себя чувствует сегодня?

Да конечно. Это хороший пример перехода научных разработок в инновационные. Разработка самой идеи началась примерно в 2004 году. В 2001 году мы начали работать с материалом нанотрубок как таковым, проводили первые его исследования, а в 2004 стали понимать, что если не будем сами создавать свой материал, то у нас уже будут проблемы дальше при создании функциональных приборов. И эта разработка планомерно велась, и, честно говоря, именно коммерческих идей ее реализации не было. Но возникли новые реалии времени, и была создана установка, с учетом условий нашего института-то есть она должна была быть безопасна, компактна, и использовать наименее химически вредные вещества. Таким веществом, источником углерода, кстати, стал обыкновенный этиловый спирт.

Значит простой спирт используется для получения углеродных нанотрубок?

Да, из этилового спирта при термическом разложении получается материал углерод, но если мы добавим металлический катализатор, например, никелевое железо, то на нём получаются водородные волокна и, в частности, нанотрубки. Вот таким образом мы создали концепцию и получили дешевую компактную безопасную установку, которой не было раньше на рынке. Все аналоги, которые есть сейчас, занимают два квадратных метра и используют метановодородную смесь — это однозначно взрывоопасная смесь. Кроме того, на российском рынке эти аналоги не представлены производителями. Только сейчас вслед за нами пошли — кстати говоря, тоже зеленоградские — компании, которые начали делать компактные установки для учебных процессов.

Это установка роста нанотрубок именно для учебных процессов?

Да. Проект уже коммерчески был начат в 2006 году, прошло четыре года, и сейчас мы говорим уже о восьми установках, которые были поставлены в институты различных городов России и в одну европейскую страну — в Эстонию. И, действительно, интерес к этому продукту не ослабевает. Если говорить не о научной его составляющей, а об экономической — за ними вслед пошли другие организации, которые теперь делают аналогичные приборы. И сейчас мы уже чувствуем конкуренцию, но в этом направлении мы первые, поэтому нам легче.

С деятельностью компании НТ-МДТ и с производством наномикроскопов это как-то пересекается?

— Нами был предложен другой коммерческий проект, достаточно дорогой и уникальный — учебная лаборатория, которая совмещает в себе установку роста нанотрубок и зондовые микроскопы. Собственно, мы и выросли здесь благодаря компании НТ-МДТ, за что можно ей сказать большое спасибо. Именно при ее поддержке был создан Hаучно-образовательный центр «Зондовая микроскопия и нанотехнология» — в 1999 году компания просто подарила МИЭТу зондовый микроскоп. Когда мы получили этот инструмент, смогли наконец-то наблюдать те наноматериалы, которые мы производим, и проводить научные исследования. Сейчас мы обладаем уже четырьмя такими микроскопами плюс одним нанотехнологическим комплексом, уникальным для России, который тоже был создан при участии компании НТ-МДТ. В этом мы партнеры, и связь между нами очень тесная.

Компания «Наносенсор»: электронный нос из нанотрубки

Истории возникновения центра «Зондовая микроскопия и нанотехнология» мы еще коснемся. А пока о фирме «Наносенсор»: расскажите о применениях ваших наносенсоров, так, чтобы каждому стало понятно.

Идея, которую мы закладываем в эти разработки, связана вот с чем. Уже не один десяток лет умы человечества будоражит так называемый электронный нос. Нос, как орган обоняния — это единственный орган чувств, который все еще не удалось заменить средствами современной техники. Глаза — это видеокамеры или фотокамеры, у слуха тоже есть достаточно хорошие имитаторы и заменители, даже такие операции сейчас людям делают.

Что касается обоняния, то тут единственным средством высокой чувствительности, применяемым в экологической и террористической безопасности, остается верный «друг человека», то есть собака. Она действительно обладает колоссальной чувствительностью благодаря наличию в носу рецепторов, представляющих собой нервные окончания с посаженными на них ферментами. Количество таких нервных окончаний и разнообразие этих ферментов обуславливают высокую чувствительность, в частности, животных к внешним средам — даже по сравнению с человеком. И мы, по сути, хотим сделать имитацию такого прибора, в котором окончанием, передатчиком сигнала является тончайшая углеродная нанотрубка в один нанометр.

Нанотрубки обладают колоссальной чувствительностью из-за своих природных свойств. Нанотрубка, как я уже сказал, в геометрии представляет собой свернутый лист графеновой плоскости диаметром один нанометр. Она обладает максимальным соотношением поверхности к объему. Это значит, что любая внешняя молекула, которая прицепится к нанотрубке, сразу же изменяет ее электрические свойства. Используя традиционные методы микроэлектроники, мы можем просто снять этот сигнал. Поэтому чувствительность нанотрубок сама собой определена природой. Остается вопрос селективности, то есть определение специфических компонентов. И вот здесь мы ведем широкий спектр исследовательских работ.

Я уже сказал о космосе; нанотрубки — один из незаменимых в будущем элементов в этой сфере, как и вообще углеродные материалы, которые изначально являются радиационно стойкими. Мы знаем, что атомные реакторы обкладываются графитовыми плитами, чтобы тормозить излучение. Мы сотрудничаем с Институтом измерительной техники города Королева в исследованиях, связанных с детекцией формальдегидов.

Формальдегиды — это пары, которые испаряются из обшивок пластиковых отсеков кораблей, и их детектирование требуется, чтобы определить, насколько загрязняется в процессе работы и жизнедеятельности атмосфера космической станции, которой дышат люди.

Другое колоссальное направление — это медицинские технологии. Вообще для нанотехнологий медицина занимает, я думаю, половину всех перспектив. Они разнообразные, об этом можно говорить много, но наше направление — это встроенные детекторы. В частности, совместно с Физико-технологическим институтом Академии наук Украины мы разрабатываем датчик глюкозы на основе углеродного материала. Такой материал, помимо всего прочего, является наиболее биологически совместимым, поэтому такие датчики могут встраиваться в поток крови человека — и в процессе его жизнедеятельности смогут моментально определять (сейчас я говорю о том, что мы надеемся сделать) увеличение концентрации глюкозы в крови. Чтобы трубка чувствовала именно глюкозу, а не другие вещества, которых в крови достаточно, необходима ее функционализация, то есть определение ее селективных свойств к определенному веществу. В этом проекте функционализация нанотрубки идет посредством оборачивания вокруг нанотрубки ДНК, на которые дальше садится известный и применяемый в современных приборах датчик глюкозы — фермент глюкоза оксидаза. Получается достаточно сложная конструкция.

Как я понимаю, это будет, например, датчик глюкозы для больных сахарным диабетом, который будет просто вшиваться под кожу?

Да, в тяжелых случаях иногда требуется постоянный мониторинг глюкозы, и это действительно может помочь. В мире уже есть прецеденты, лабораторные образцы такого рода — мы не единственные. В России — возможно, так как у нас колоссальная база именно электроники, созданная в Зеленограде. Мы стремимся сделать уже промышленный образец, поэтому наши исследования идут параллельно с интеграцией, повышением функционализации нанотрубок, и созданием уже работоспособного технологического процесса, технологических основ, уже готовых элементов. Эти две работы ведутся параллельно.

К медикам вы пока не выходили со своими разработками?

— Нет. Разработки еще находятся не на той стадии.

Иван Бобринецкий

Государственная нанореволюция: «Даже неизбежный прогресс тоже требует материальной поддержки»

Я недавно познакомилась со статьей в области этих разработок нанобиотехнологий. Там Курчатовский институт предлагал целый проект, в котором бы соединились, в том числе, центр синхротронного изучения и нейробиологические технологии. И они говорили буквально о революции в нанобиотехнологии и создании роботов на базе наносенсоров. Далеко нам еще до этой революции?

• Когда мы начинаем говорить о воплощении результатов, которые сейчас имеются или которые предполагается получить в ближайшие несколько лет в лабораториях, об их выходе на мировой рынок и в широкое применение — когда в каждом доме реально будут элементы нанотехнологий, а не то, что мы сейчас наблюдаем в рекламе-то я это всегда сравниваю с развитием компьютерных технологий. Мы знаем, что примерно в 1957 году начали появляться первые транзисторы и интегральные схемы, а сейчас мы можем говорить о суперкомпьютерах, и в России есть проект «Суперкомпьютеры» – то есть, прошло порядка шестидесяти лет. Примерно такими же цифрами я оперирую и в области полноценного вхождения в нашу жизнь нанотехнологий. Если говорить о синхротронном излучении, то все-таки это сейчас остается на уровне уникальных красивейших исследований. В Зеленограде есть такие центры, но это уникальные центры, рассчитанные на проведение уникальных экспериментов.

Поэтому ближайшие перспективы того, что действительно будет сделано следующие: в ближайшие десять лет мы можем получить прототип такого устройства, робота, основанного на самосборке, одним из компонентов которого будет и наш наносенсор. Надеюсь, Курчатовский институт и нас тоже подключит к этому направлению. Но чтобы увидеть реальное применение всего этого в больницах, то здесь я бы все-таки не стал так рано радовать наших слушателей и читателей. Здесь уже потребуется порядка пятидесяти лет.

Но вы чувствуете сами, что вы занимаетесь чем-то революционным, или для вас это естественный ход событий, просто эволюция?

Сейчас уже, действительно, я это рассматриваю как неизбежное. Сейчас идет хорошая рекламная компания нанотехнологий, все об этом знают и интересуются, но по сути это неизбежно — миниатюризация. Пятьдесят лет мы жили с компьютерами микротехнологий, до этого была индустриальная революция, до этого конвейерная. То есть это естественное развитие. Но то, что однозначно привлекает и студентов — это чувство причастности к созданию чего-то великого, стоящего, которое может повлиять на будущее человечества. В нашей группе сейчас пятнадцать студентов начиная от второго курса и заканчивая шестым. Ну и, конечно, даже «неизбежность» тоже требует финансовой и материальной поддержки, и в этом сейчас уже есть внимание со стороны государства.

Сейчас такие исследования и разработки держатся именно на внимании государства, или эта сфера уже становится самоокупаемой и обладает коммерческим потенциалом?

В целом здесь пока поддержка государства очень велика. Если сравнить с зарубежными коллегами, то обычно приводятся такие соотношения: в России финансирование научных разработок в общем случае на 75 процентов обеспечивает государство, на 25 процентов — бизнес. За рубежом ровно наоборот — НИОКРы ведутся в частных компаниях. Но это статистика, которая общедоступна. Вместе с тем, известно, что стоимость завода по производству чипов 45 нанометров, которые стоят сейчас в каждом компьютере, равняется десяткам миллиардов долларов. И есть мнение авторитетных экспертов, что без участия государства все эти великие фирмы, которые их производят, давно бы уже не существовали, потому что стоимость таких высоких технологий — высока, извините за тавтологию.

Нано — шанс или фикция: «Я стал относиться к этому более либерально»

Сейчас говорится о строительстве в России, в Зеленограде фабрик по производству чипов до 45 нанометров. Не может ли оказаться, что, поскольку в России уже ведутся разработки наподобие ваших, нам удастся — или у нас есть шанс — перескочить этот рубеж и начать сразу с каких-то единичных нано-топологий для создания потребительских чипов?

В этом, собственно, и идея, почему вся эта программа по нанотехнологии и была запущена при поддержке правительства и общественности. Идея заключается в том, что мы можем действительно обойти, «пойти другим путем» в этом направлении. Но то, что сейчас мы делаем — пытаемся интегрировать эти новые материалы и новые технологии (нанотрубки) и традиционные методы, которые нам достались от советских времен (фотолитография, кремниевая технология) — от этого пока не уйти. Я надеюсь, что эти фабрики чипов в 45 нанометров и 90 нанометров, которые у нас в Зеленограде обещают запустить, позволят быстрее реализовать в промышленном масштабе и наши разработки. То есть это параллельный путь.

Я думаю, уже никто не надеется, что когда-то будет сделан советский или российский процессор, аналогичный Intel, но это уже на самом деле и не нужно. Через десять лет будут уже совершенно другие процессоры. А вот какие будут процессоры, это действительно вопрос…

Здесь и Россия может над этим поразмыслить?

Да. Но базовые принципы, технологическая основа, которая сейчас создается во всем мире — это действительно большое подспорье. То есть 45 нанометров нужны, чтобы говорить о выходе на новые материалы.

Вращаясь в среде центра нанотехнологий в МИЭТ, находясь на острие технологий, насколько вы в приставке «нано» сейчас чувствуете влияние моды — и в какой доле случаев она действительно обоснована?

Вопрос очень деликатный. Первое время, когда я читал проекты, которые предполагает поддерживать госкорпорация «Роснано», и имея свою научную школу, прошедшую в научно-образовательном центре, где я узнал что такое нанотехнологии. где мы действительно оперируем с единичными молекулами, я сам реально двигал эти молекулы, их модифицировал до создания единичных элементов… Так вот, те проекты «Роснано» мне казались созданными по принципу «наноразмеры есть везде». Ведь даже человек, в конце концов, состоит из атомов и молекул. Кстати, одним из колоссальных современных инструментов нанотехнологий сегодня является именно ДНК… Но с тех пор я стал несколько более либерально относиться к этому.

Действительно, нанотехнологии в том контексте, который коренным образом изменит нашу жизнь, придут еще не завтра — мы уже определили примерно этот временной параметр. А то, что сейчас есть — это действительно старые разработки «под новым соусом», в частности, сделанные в зеленоградских компаниях. И я на самом деле это поддерживаю. Я общаюсь с ними и знаю, что у них есть уникальные разработки двадцатилетней давности по формированию углеродных сверхпрочных наноалмазных покрытий. Наноалмазы — это фактически нанопленки, которые напыляли еще 20–30 лет назад, когда еще никто не говорил о нанотехнологиях.

Были созданы установки, которые и сейчас сохранили конкурентоспособность, уникальный научный потенциал, которому нет аналогов в мире. И благодаря нынешней государственной поддержке, я надеюсь, пока эта технология не утеряна, они смогут выйти на рынок и развиваться. В этом я вижу тоже большой плюс.

Значит, нет ничего страшного в том, что «нано-» — это не обязательно проекты с какими-то наноразмерами? Есть большая польза просто от того, что это вообще поддерживает российскую микроэлектронику?

Да. Я так к этому отношусь.

Центр нанотехнологий МИЭТ: «Наша задача — патент к каждой кандидатской»

Возвращаясь к Центру нанотехнологий МИЭТа: расскажите немного о вашей «альма-матер», кто и чем там занимается?

Наш Центр зондовой микроскопии нанотехнологий возглавляет Владимир Кириллович Неволин, профессор, доктор физико-математических наук. История его поражает. В 1987 году, когда стали доступны разработки зарубежных коллег в области зондовой микроскопии, Владимир Кириллович одним из первых в России воспроизвел эти результаты.

Зондовый микроскоп — это пока единственный инструмент, который может оперировать на уровне молекул, но Владимир Кириллович пошел дальше и, по сути, стал первым создателем зондового микроскопа для нанотехнологий. Это было в 1987 году, когда впервые удалось создать нанопроводник. Это был нанопроводник в эпоксидиановой смоле — молекула, которая, по сути, диэлектрик, но Владимир Кириллович смог создать в ней молекулярный канал обладающий проводящими свойствами. И в этом мы не изменяем себе — двадцать лет прошло, как мы занимаемся наноэлектроникой на основе нетрадиционных материалов.

В 1991 году появилась первая фирма по созданию зондовых микроскопов для учебных целей. И спустя десять лет после этого я пришел в наш Центр зондовой микроскопии нанотехнологий, то есть продолжилось направление в области планарной наноэлектроники на основе металлических наносужений, окисления тонких пленок с помощью тех же самых зондовых микроскопов. И с 2001 года мы начали заниматься углеродными нанотрубками. Поэтому наш центр до сих пор остается одним из ведущих, мы обладаем лучшими зондовыми микроскопами, нанофабрикой, созданной с помощью компании НТ-МДТ, и вокруг центра уже организуется малый бизнес, который я здесь тоже представляю.

Фирмы «Наносенсор» и РПСЛ — это не единственные компании, которые «отпочковались» от центра?

Нет, конечно. Нашими аспирантами были созданы компании, но уже не в Зеленограде. У нас стояла задача: каждый аспирант, защищающий кандидатскую, обязательно должен иметь патент, а значит, какой-то реальный продукт. И вот сейчас один из наших аспирантов поехал поднимать нанотехнологии в Красноярске, Станислав Хартов. Он был одним из основателей компании РПСЛ и разработчиком её установки роста нанотрубок. И сейчас он продолжает другое направление в области нанотрубок — создание селективных мембран, например, для опреснения соленой воды. Это его направление в Красноярске, он создал фирму, мы поддерживаем тесные контакты. Как я уже сказал, у нас подрастает новая молодежь, пятнадцать человек, и каждый разрабатывает свое уникальное направление.

Если отметить фамилии, то это Константин Горшков, аспирант первого года, который разрабатывает электронику уже на основе графена. Графен — это новый углеродный материал, недавно открытый российскими учеными, который представляет из себя моноатомный лист углерода, обладающий уникальными электрическими свойствами при комнатных температурах. Это и Владислав Кондрашов, лауреат наших выставок «Архимед», студент пятого курса. Сейчас он разрабатывает установку для получения уже не углеродных нанотрубок, а углеродных наноколец. Это направления памяти или электромагнитной защиты. Я думаю, еще не один инновационный проект выдаст наш небольшой научно-образовательный центр.

Елена Панасенко

http://www.zelenograd.ru/news/view.php3?…