Вікна прозорості. Рентгенівська лабораторія світового рівня підтверджує свій статус

35

Сучасна рентгенівська оптика – основа найпередовіших нанотехнологій. Це і формування нанооб’єктів (мікросхем) за допомогою еуф (екстремального ультрафіолету) нанолітографії, і вивчення внутрішньої будови клітин з рентгенівським мікроскопом нанометрового дозволу, і фундаментальне дослідження речовин шляхом застосування найпотужнішого рентгенівського випромінювання – лазерів і синхротронів 4-го покоління. Значний розвиток сьогодні переживає і рентгенівська астрономія. Стимулом служить інтерес до процесів, що відбуваються на зірках, зокрема, на найближчій до нас-сонце. Справа в тому, що розуміння фундаментальних проблем – наприклад, процесів нагріву гарячої сонячної корони (температура 1,5 мільйона градусів) від «холодної» фотосфери (температура 6000 градусів), протікання термоядерних реакцій, розподілу магнітних полів і плазми – дозволить людству наблизитися до побудови своєї маленької зірки – термоядерного реактора на землі.

Цій меті присвячені роботи багатьох фізиків світу. Відділ багатошарової рентгенівської оптики інституту фізики мікроструктур ран (іфм ран) теж з цієї команди. Очолюваний доктором фізико-математичних наук миколою чхало колектив розпочав роботу за проектом, підтриманим грантом рнф “багатошарова рентгенівська оптика дифракційної якості для перспективних завдань фізики, нанодіагностики та наноструктурування конденсованої речовини”, тільки цього року. Але показовим є конкурс, в якому іфм став одним з лідерів, “проведення досліджень науковими лабораторіями світового рівня в рамках реалізації пріоритетів науково-технологічного розвитку російської федерації” президентської програми дослідницьких проектів, що реалізуються провідними, в тому числі молодими, вченими.

– революційне значення для рентгенівської оптики мало створення на початку 1980-х років технології виготовлення багатошарових рентгенівських дзеркал, що представляють собою композиції з тонких плівок різних матеріалів. – розповідає микола іванович. – наносять їх на підкладки з різною формою поверхні. За цикл цих робіт в 1991 році була присуджена держпремія срср. А далі область застосування багатошарової оптики багаторазово розширилася, і більшість таких традиційних методів, як колімація, фокусування, побудова зображень, поляризація випромінювання, стали доступними і для спектра екстремального ультрафіолетового і рентгенівського випромінювання. Іншими словами, з’явилися можливості управляти просторовими, кутовими, поляризаційними характеристиками пучків випромінювання з довжинами хвиль коротше 100 нм. У рентгенівському діапазоні тепер можна отримувати зображення з дифракційним просторовим дозволом. По суті, ми стоїмо біля стартової риси нового технологічного стрибка-освоєння короткохвильового діапазону хвиль. І багато в чому нинішні успіхи в області багатошарової оптики пов’язані з роботами колективу дослідників з іфм ран, одного зі світових лідерів в області фізики і технології виготовлення багатошарових металевих наноструктур. Грант рнф допоможе нам просунутися ще на крок вперед.

– які завдання ви перед собою ставите? – в останні роки ми приділяємо особливу увагу дослідженням, спрямованим на розробку прецизійної зображувальної оптики нормального падіння для різних завдань сучасної фізики і техніки. Наприклад, для створення об’єктивів для стендів проекційної еуф – нанолітографії (довжини хвиль-13.5 нм або 6.7 нм) або біологічних мікроскопів в спектральних областях «вікон прозорості» води і вуглецю (λ=2-5 нм), розробки космічних телескопів (завдання рентгенівської астрономії). Практично всі російські космічні станції зі спеціалізованими телескопами для вивчення сонячного випромінювання в спектральному діапазоні 13-30 нм були оснащені багатошаровими дзеркалами, створеними в іфм ран. Наприклад, станція coronas-f використовує дзеркала, виготовлені в іфм ран і французькою групою з паризького інституту оптики.

– що таке “вікно прозорості”? хіба не всі живі середовища прозорі для рентгенівського випромінювання? – це так і не так одночасно. Приклад-короткохвильове випромінювання, яке застосовується при рентгені в клініках. Ми маємо проходить крізь тканини випромінювання, проте на фотоплівці отримуємо контраст, тобто якісь тканини більш прозорі, а якісь-менш. “вікна прозорості” води і вуглецю говорять лише про прозорість одного матеріалу в порівнянні з іншими. Ці області спектра відкривають біологам величезні можливості у вивченні будови клітин і окремих молекул з нанометровим дозволом. Зокрема, у “вікні прозорості води” спостерігається 15-кратний абсорбційний контраст між водою (киснем в її складі) і вуглецем, що дозволяє проводити аналіз углеродсодержащих об’єктів – а це – клітини, білки, амінокислоти – в їх природному (водяному) середовищі.

– серйозним обмеженням, що стримує виграшне використання короткої довжини хвилі випромінювання для отримання нанометрового просторового дозволу, була відсутність світлосильної прецизійної оптики, – пояснює, включившись в бесіду, керівник наукової групи по гранту рнф, головний науковий співробітник іфм ран, член-кореспондент ран микола салащенко. – така оптика дозволяє забезпечити побудову зображень з роздільною здатністю, обмеженим дифракційним межею.

– ці завдання ви маєте намір вирішувати в рамках гранту? 8>–>- так, акцент буде зроблений на розвитку методів виготовлення багатошарової оптики, що забезпечує дифракційну якість зображень в рентгенівському діапазоні довжин хвиль, – пояснює микола миколайович. – для цього наш колектив планує розробити методи хіміко-механічної та іонно-пучкової обробки монокристалічного кремнію з тим, щоб сформувати рентгенооптичні елементи для синхротронних застосувань, що забезпечують ангстремную шорсткість і субнанометровую точністю форми поверхні. Вони принципово важливі для рентгенівського діапазону довжин хвиль. Тільки низька шорсткість поверхні може забезпечити високі (десятки відсотків) коефіцієнти відображення багатошарових дзеркал. Шорстка поверхня навіть у видимому діапазоні довжин хвиль знижує відображення від однієї поверхні, а в рентгенівському діапазоні відображення походить від безлічі поверхонь, тому ефект шорсткості багаторазово посилюється. Дуже великі проблеми пов’язані з точністю форми. Тут ми повинні отримати сферу діаметром, наприклад, 100 м з точністю 1 нм. Але все-таки основна увага буде приділена оптимізації структури багатошарових рентгенівських дзеркал.

– розкажіть про них докладніше. – багатошарові рентгенівські дзеркала – мрз) – це композиція з чергуються шарів матеріалів з різною оптичною щільністю. Відображення від однієї межі розділу двох середовищ в рентгенівському діапазоні довжин хвиль дуже мало-соті і тисячні частки відсотка. Однак якщо створити ідеальну багатошарову наноструктуру, де шарів з тисячу, а товщина кожного менше 1 нм, то відображення від кожного шару буде підсумовуватися в фазі (закон брегга-вульфа), і тоді вдасться досягти високих (десятки відсотків!) коефіцієнт відбиття. Багатошарові рентгенівські дзеркала володіють найбільш широким спектром можливостей з усіх відомих рентгенооптичних елементів. На відміну від кристалів багатошарове покриття може бути нанесено на підкладку з довільною формою поверхні. Ці властивості зумовлюють широке використання мрз в літографії, астрономії та інших сферах, – пояснив учений. – важливо, що в усьому світі фізики працюють дружно, а наш інститут не просто бере участь у спільній справі, а й веде за собою в багатьох напрямках.

На думку салащенка, фізика багатошарових структур з надтонких плівок і є справжня нанофізика.

– для управління інтерфейсами в мрз буде вивчена технологія «інженерії шарів», що полягає в насиченні незаповнених зв’язків атомів при формуванні плівок за рахунок хімічно активних компонентів в суміші розпилюючого газу. Очікуємо – що в цьому випадку буде пригнічена хімічна і дифузійна активність атомів надходить конденсату, – продовжує занурювати в тонкощі проекту, підтриманого рнф, чхало. – вперше буде вивчено вплив енергії розпилюючих іонів на мікроструктуру і інтерфейси в мрз. Вперше буде реалізована функціонуюча динамічна маска (мікромеханічний електронний пристрій-матриця мікрозеркал, яка виступає в ролі фотошалобна, малюнок якого може змінюватися в процесі літографії) для безмасочного еуф-літографа на основі діелектричних багатошарових покриттів. Все заради того, щоб не відбулося замикання струмоведучих доріжок, керуючих окремими мікрозеркалами матриці. Це дозволить сформувати найважливіший для безмасочної літографії елемент наБазі комерційно доступних мікроелектромеханічних систем.ми займаємося ще ніким досі не вирішеним завданням отримання дзеркал з коефіцієнтами відображення більше 60% для діапазону довжин хвиль 9-11 нм. Без досягнення таких коефіцієнтів відображення неможливо розвивати літографію в цьому діапазоні. У нас плани грандіозні.

– коштів, що виділяються рнф на грант, дістане на зарплати 27 задіяним у проекті вченим і придбання необхідного обладнання? – для цих завдань, як ви розумієте, грант, розрахований на 4 роки, не надлишковий: в 2021 році ми отримуємо 30 мільйонів рублів, в 2024-му – 24. Плюс до цього кошти від співфінансування.

– нове обладнання будете закуповувати? – взагалі наша група виявилася чи не єдиною в світі, у якої є і власні технології виготовлення рентгенівської оптики, і вимірювальна база для сертифікації її елементів. Тепер основні вітчизняні дослідження в області м’якого рентгенівського випромінювання забезпечуємо ми. Особливо це стосується прецизійної зображає оптики: щороку з’являється принципово нова технологічна установка. Коли для забезпечення потреб рентгенівської літографії постало завдання отримання прецизійної оптики дифракційної якості, з’ясувалося, що надгладких поверхонь з формою, виконаною на субнанометровому рівні, в країні немає і зробити їх ніхто не може. Так що доручили впоратися з цим завданням самі собі і вирішуємо її. За короткий термін в іфм ран створений цілий технолого-метрологічний комплекс, що дозволяє виробляти надгладку і надточну оптику. У його складі-інтерферометр з дифракційною хвилею порівняння, установки іонно-пучкового травлення і напилення тонких плівок, прецизійні рефлектометри.

– подібними ресурсами мають лише самі високотехнологічні компанії: zeiss( фрн), general optics (сша) і nikon (японія), – роз’яснив салащенко. – так що купувати планується тільки найнеобхідніше. Наприклад, збираємося придбати для розвитку технологічної бази пару турбомолекулярних безмасляних насосів (по 3 мільйони рублів), кілька систем напуску газів ррг (по 400 тисяч), а також, самі розумієте, потрібні матеріали та комплектуючі для роботи: кремнієві монокристалічні пластини та заготовки для підкладок, мішені для магнетронного напилення (cr, sc, sr, v, mo, si), гази, конструкційні матеріали, метизи і т. П.

– розповісте про колективі. – наш колектив-це сплав досвіду і молодості. Дуже приємно, що після провалу 1990-2000 – х років в науку пішла молодь, зараз наш відділ наймолодший в інституті (середній вік-43 роки). Приємно, що молоді проявляють інтерес і ініціативу, ставлять і вирішують нові складні завдання. За останні п’ять років у нас захистилися 4 кандидати наук. Це і дозволило нам претендувати на такі масштабні проекти, як проект рнф «лабораторія світового рівня». Плюс молодь дуже активна і розвиває наші зв’язки з науковими групами як в росії, так і за кордоном.

– а хто партнери? – ми тісно співпрацюємо з науково-дослідним інститутом приладів, фізичним інститутом ім. П.м. Лебедєва, ат “композит” та інститутом ядерної фізики ім. Г. І. Будкера з ран. З іноземних партнерів активно взаємодіємо з синхротронним комплексом bessy ii (берлін, німеччина) та інститутом оптики (париж, франція).

– на 2021 рік що конкретно заплановано? – думаємо запустити в роботу шлюзову камеру до установки напилення для проведення робіт з хімічно активним стронцієм, – розповів микола миколайович. – будемо виготовляти експериментальні зразки, відпрацюємо методику нанесення mo / si мрз в суміші інертного і хімічно активного газу з пригніченою електропровідністю. Також заплановані експерименти з різними абразивами і смолами для відпрацювання методики механічного притирання поверхонь з монокристалічного кремнію. Заплановані наукові конференції та школа молодих вчених в рамках міжнародної конференції physics of x-ray and neutron multilayer structures 2021.- всі результати наші будуть відповідати або перевищувати (визначати) світовий рівень, – запевнив уже микола іванович. – це відноситься до методів обробки і безеталонної метрології оптичних поверхонь, коефіцієнтам відображення мрз для “вікна прозорості води”, до проекційного об’єктиву дифракційної якості на довжину хвилі 3,37 нм, виявлення нових каналів втрат рентгенівського випромінювання при взаємодії з багатошаровими рентгенівським дзеркалами та ін. Вперше в світі буде продемонстрована можливість створення динамічної маски для безмасочної рентгенівської літографії, поява якої дозволить вирішувати широкий спектр завдань, де не потрібно великосерійне виробництво наноструктур, в тому числі наноелектронних компонентів.