Трансформация материи. Ученые рассказали о технологии атомарной "сварки"

Фемтосекундные лазеры - удивительные устройства, которые можно использовать как "сварочные аппараты" для трансформации материалов на атомарном уровне. Развитие этой технологии, по словам ученых, обеспечит появление биосовместимой наноэлектроники, уникальных микрочипов нового поколения и других устройств, которые изменят промышленность, медицину, быт. О своих исследованиях в этой области рассказали специалисты Национального исследовательского университета "МИЭТ" (НИУ МИЭТ).

Лазеры сверхкоротких импульсов (ЛСИ), к которым относятся фемтосекундные, аттосекундные и другие лазеры, это устройства, широко востребованные сегодня в медицине, металлообработке и спектроскопии. Фемтосекундные лазеры, например, способны генерировать импульсы длительностью от 100 фемтосекунд и меньше, что короче секунды в десять триллионов раз. За такое время свет успевает пройти всего 30 микрометров, рассказали ученые.

Эффективная атомарная "сварка"
Уже при энергии всего в 100 наноджоулей (такова, например, кинетическая энергия столкновения с препятствием летящего комара) пиковая мощность импульса фемтосекундного лазера достигнет мегаватта, что можно сравнить с вспышкой 100 тысяч обычных ламп накаливания. Благодаря тому, что длительность сверхкоротких импульсов сравнима с периодом молекулярных колебаний в веществе, обработка сфокусированным лучом такого лазера позволяет снизить и локализовать тепловое воздействие на материал.

"Лазеры с длинными импульсами действуют на кристаллическую решетку в целом, приводя к усилению колебаний ядер и разогреву вещества. Сверхкороткие импульсы настолько быстрые, что колебания ядер почти не изменяются, а энергия света поглощается напрямую электронами. Электроны отвечают за химические связи, а значит, воздействуя локально на них, мы можем менять структуру вещества", - объяснил профессор кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ Иван Бобринецкий.

Используя нелинейные оптические эффекты, можно сфокусировать лазер в пятно размером намного меньше длины волны света, вплоть до десятков нанометров, рассказали ученые. Это позволит полностью избежать "нецелевого" нагрева материала и превратит ЛСИ в своего рода сварочный аппарат, химически трансформирующий материал на атомарном уровне. Данный эффект был открыт в 2015 году на нанотрубках финскими учеными, а уже спустя полгода группа ученых МИЭТ продемонстрировала его при обработке графена.

Нанотехника прочнее стали
Графен - самый прочный из известных материалов, прочнее стали и алмаза. Он обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, на 97 процентов прозрачный, так как представляет собой одноатомный слой углерода. Эти и другие его уникальные свойства, однако, могут сильно пострадать при обработке традиционными методами, рассказали ученые МИЭТ.

Особенно востребован графен при разработке новой микроэлектроники, в том числе основанной на биологических принципах. При создании транзисторов традиционными методами, ориентированными на кремниевые материалы, свойства графена сильно падают.

Сотрудники МИЭТ предложили использовать сверхкороткие лазерные импульсы длительностью десятки и сотни фемтосекунд для создания электронных устройств на основе графена и родственных ему материалов."Наша цель - уйти от так называемых „мокрых технологий", использующих обработку кислотами и другими жидкостями, к полностью оптическим методам локальной обработки материалов. Данную технологию можно сравнить с аддитивными технологиями на основе 3D-печати, только вместо пластика мы „пришиваем" лазером одиночные молекулы или перестраиваем кристаллическую решетку", - рассказал профессор кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ Иван Бобринецкий.

Такой подход может стать основной технологией нанофотоники нового поколения, уверены ученые. Он позволит за счет "пришивки" отдельных молекул (включая биологические, такие как белки) и формирования фоточувствительного перехода производить наноприемники единичных фотонов и другие электрооптические приемо-передающие устройства.

Новые поколения микрочипов
Создание электронных схем на новых физических принципах - главная практическая перспектива технологий фемтосекундной нанообработки углеродных материалов, рассказали ученые. Микрочипы новых типов будут обладать заметно большим быстродействием, низким энергопотреблением и сверхмалыми размерами.

Это обеспечит широкий круг новых применений, среди которых, например, имплантируемая электроника или быстрое производство персонализированных чипов с параметрами, нужными пользователю.

Фемтосекундные нанотехнологии позволят реализовать новый инженерный подход к созданию микрочипов в рамках единого технологического процесса, объяснили ученые МИЭТ. Причем с использованием фемтосекундного лазера можно обрабатывать графен не только в одной плоскости, но и в виде трехмерных структур.

"Конечно, создать интегральную микросхему данными методами пока сложно, но более простые устройства, такие как сенсоры или датчики, уже можно реализовать. Например, нами были получены компактные фотодетекторы на основе углеродной нанотрубки и графена", - рассказал научный сотрудник МИЭТ Алексей Емельянов.

Умная электроника внутри нас
Обработка при помощи ЛСИ - самый быстрый метод промышленной модификации материалов, известный человеку, отметили ученые МИЭТ. Изготовление тех или иных наноразмерных изделий может быть реализовано в течение одного или нескольких импульсов длительностью в сотни фемтосекунд.
По словам ученых, другое не менее важное применение данной технологии - тераностика, то есть комплексный подход к медицине, объединяющий терапию и диагностику. Он основан на применении таких устройств, как, например, нанороботы, точечно доставляющие препараты внутри организма, сенсоры, чувствующие наличие единиц опасных молекул, или транзисторы на биологических принципах.