# Структуры hand made

Леонид Александрович Ашкинази

Структуры hand made


Разных химических элементов в природе раз в десять меньше, чем разных штанов в приличном магазине. Но из этого, огорчительно малого, количества сортов атомов создано ВСЕ. Причина чудовищного разнообразия природы в том, что атомы можно по-разному располагать. В отличие от штанов, которые можно надевать только на одно место.


Раз мы заговорили о расположении, придется ограничиться твердыми телами - в прочих расположение хотя и не какое попало, но и не вполне фиксированное. Атомы каждого соединения образуют при данных давлении и температуре определенную кристаллическую решетку. Например, некоторые элементы от межзвездного холода до звездного жара не меняют типа своей решетки, а иные перестраиваются (вот рекордсмены: Fe, Ru, Ce - три, Mn - четыре, Pu - аж пять раз). Параметр решетки входит - явно или неявно - во все свойства вещества, и, если бы научиться его менять, это было бы похлеще волшебной палочки. Разумеется, параметр решетки меняется при изменении температуры и давления, но - и увы, и к счастью, - не сильно. "Увы" потому, что из-за этого температура и давление не такой эффективный инструмент, как хотелось бы, а "к счастью" потому, что иначе приемники переставали бы работать при выключении батарей отопления, а молнии на тех же штанах рассыпались бы при изменении атмосферного давления.


Логика первооткрывателя бывает недоступна последователям - не по той ли причине, по какой логика женщины недоступна мужчине? Лео Эсаки в 1970 году предложил сверхрешетку: структуру, в которой вдоль одной оси состав меняется периодически, причем период не намного - скажем, в десять раз - больше, чем период обычной решетки. Так сказать, бутерброд масло-хлеб-масло-хлеб-масло-хлеб, но слоев тысячи, а толщина каждого - десять атомов. Немедленно возникают четыре универсальных материаловедческих вопроса: как сделать, не развалится ли сразу из-за механических напряжений, не расползется ли потом из-за диффузии и что мы с этого будем иметь, как говорил известный изобретатель О.И.Бендер?


Первая проблема - научиться наносить слои толщиной в несколько атомов и контролировать этот процесс. Сие потребовало создания установок с вакуумом выше, чем у границ Солнечной системы, и решения других, не столь впечатляющих, однако не менее трудных задач.


Вторая проблема - как сделать, чтобы не рассыпалось. Ответ: для этого надо подбирать такие "хлеб" и "масло", которые образуют почти одинаковые решетки, например GaAs и AlAs. Или вообще брать одно вещество, но создавать в нем тонкие слои, содержащие определенную примесь.


С третьей проблемой повезло: такая структура не расползается. А окажись коэффициент диффузии существенно больше - и не было бы целой области техники полупроводников. Кстати, к вопросу об альтернативной технике, цивилизации, истории и т. п.: выход в свет журнала "Химия и жизнь" связан с температурой Земли - если бы средняя температура была бы на 30о выше или ниже, вряд ли вы бы читали наш журнал. Какой могла бы быть жизнь в таких условиях (если это можно назвать условиями)? Это вопрос - и очень сложный - к биологам, а вот физики и инженеры вполне могли бы ответить на вопрос, какой при иных температурах была бы техника. Так что ура белкам, диапазон существования коих ограничивает возможные значения температуры планеты и допускает - через температурную зависимость диффузии - существование сверхрешеток.


Образец со сверхрешеткой действительно ведет себя как вещество, в решетке которого межатомное расстояние во много раз больше обычного и равно периоду, с которым чередуются слои. Человек ухитрился создать "вещество с несуществующей решеткой". Количество применений у таких структур оказалось достаточным, чтобы окупить и исследования, и инвестиции. Достаточно сказать, что они позволили радикально улучшить параметры полупроводниковых лазеров.


Но как только мы узнали о том, сколь полезны вещества с периодически меняющимся вдоль одной оси составом, возник вопрос, не пригодится ли благородным донам вещество с составом, периодически изменяющимся вдоль двух осей? Такое "вещество" - это матрица, в которую погружены нити иного, чем у нее состава, причем и толщина нитей, и период их расположения составляют нанометры, то есть они лишь в десятки раз больше постоянной решетки. Собственно, это то, что конструкторы называют "композит". Но в макротехнике композит делается из готовых нитей, жгут которых пропитывается тем, что и станет матрицей. При этом нити - вполне ощутимая вещь, их можно взять в руки, матрица - вон бидон в углу стоит, размешай, заливай и полимеризуй... В новой же ситуации нить имеет толщину в несколько атомов, и в руки ее взять нельзя.


Кстати, одно из изобретений фантастики в жанре киберпанка - моноатомная нить, которой можно разрезать человека. Монокристаллической нитью действительно можно перерезать человека, ибо прочность материала из монокристалла в сотни раз больше, чем у стали, но ее диаметр должен быть все-таки не менее десятков микрон, иначе не хватит прочности нити. Впрочем, писателю, даже киберпанк-фантасту, знать школьную физику не обязательно.


Раз готовых моноатомных нитей нет и быть не может, то как сделать эту структуру? Придется действовать напылением, как и при изготовлении сверхрешеток, но сначала надо будет научиться напылять узкие полосочки, плоские нити, потом запылять их однородным слоем, потом опять полосочки, опять однородный слой... и так тысячу раз. А вы чего хотели? Народная мудрость гласит: "Скоро только кошки родятся". А нити эти называют "квантовыми нитями" - потому, что электрон, попадая в них, начинает проявлять квантовые свойства, как и всегда, когда вдоль какой-то из осей ему не дают двигаться. В подобном случае ему позволяют двигаться свободно только вдоль нити и сильно ограничивают вдоль перпендикулярных осей. Например, у таких нитей квантуется проводимость - то есть сопротивление может принимать не какие попало значения, а только определенное. Рассказать такое Георгу Ому - не поверил бы.


Естественный следующий шаг - квантовые точки: маленькие включения одних атомов в матрицу других, группы атомов штук этак по сто. Их свойствам в этом номере журнала посвящена отдельная статья, здесь же имеет смысл назвать две их особенности. Открыты эти свойства были именно при работе с квантовыми точками, а на квантовых нитях и сверхрешетках их не наблюдали - но, может быть, еще обнаружат.


Будем действовать так: возьмем поверхность, создадим на ней группки атомов, потом закроем их слоем основного материала, опять создадим группки, потом опять закроем и так далее. Оказалось, что при этом процессе возможно спонтанное упорядочивание, причем или только по вертикали, или как по вертикали, так и по горизонтали, причем группки атомов, квантовые точки, располагаются не как попало, а на равных расстояниях одна от другой. Не напоминает ли это кристаллическую решетку? Напоминает. Именно поэтому квантовые точки иногда называют искусственными атомами. Свойство "располагаться самим" - общетехническое, универсальное, оно проявляется в самых разных ситуациях, может быть использовано как инструмент. Является оно и общебиологическим свойством - молекулы и клетки тоже это умеют. Но для инженера мысль о том, что какие-то детальки не он на место ставит, а они сами куда надо прыгают, не вполне традиционна - за что этот процесс и заслужил имя собственное: самосборка.


Второе необычное свойство - самораспад с образованием квантовых точек. Представьте себе, что вы начинаете наносить на кристаллическую решетку начинаете наносить атомы другого сорта. Они вынуждены достраивать чужую решетку, располагаясь не на своих местах. В решетке возникают напряжения, и в некоторых случаях слой нанесенных атомов предпочитает собираться в группки, то есть квантовые точки, с собственной решеткой - примерно так, как национальные диаспоры в многонациональном обществе. Нечто подобное металлурги наблюдают уже век, и называют они это "выделением второй фазы" - например, аустенита в сталях, феррита в чугунах.


В учебниках физики электричество и магнетизм обычно располагаются рядом. Последуем этой традиции и мы. Если поочередно наносить тонкие-тонкие пленки веществ с разными магнитными свойствами, иначе говоря, создать магнитную сверхрешетку, возникают очередные новые явления, впрочем пока что мало изученные. А до магнитных квантовых нитей и точек руки, кажется, вообще еще не дошли - хотя может оказаться, что область магнитных микроструктур не так богата эффектами, как область электрических микроструктур. Поскольку ферромагнетизм - свойство коллективное, и для его возникновения нужно много атомов (частицы железа размером в десятки нанометров неферромагнитны). Но кроме электричества и магнетизма по отдельности, между ними существует связь - электромагнитное поле. Ток вызывает возникновение магнитного поля, изменение магнитного поля вызывает электрическое поле, а в проводниках, стало быть, - ток. Магнитное поле, созданное током, зависит и от его величины, и от его "расположения", то есть от формы проводника. Поэтому, размещая в массе диэлектрика проводящие включения и изменяя их форму, можно получать среды с необычными "магнитными свойствами".


Два года назад в Университете Сан-Диего был создан макроскопический прототип такого материала. Расположив определенным образом в стеклопластиковой матрице медные (то есть хорошо проводящие, но не ферромагнитные) диски и колечки, исследователи получили материал с необычными свойствами. При распространении в такой среде электромагнитной волны она вела себя так, будто у среды были отрицательными и диэлектрическая, и магнитная проницаемость (а не только диэлектрическая, как это бывает у плазмы). Теоретически поведение волны в средах с такими свойствами исследовал почти пол-века назад В.Г.Веселаго (МФТИ), хотя создать эту среду тогда предлагалось другими методами.


Размеры дисков и колечек в первых экспериментах составляли около 1 см. Современная техника может делать и микронные детали, но возникает вопрос: как обеспечить правильное их расположение? Один из путей - его можно назвать классическим - состоит в том, чтобы использовать свойства самих деталек. Например, пусть диски и проволочки тонут в вязкой среде. При этом они будут сами ориентироваться каким-то определенным образом. А при полимеризации среды в этом положении и замрут. По такому пути пошел бы классический конструктор или специалист по ТРИЗу.


Создатели материала пошли по второму пути (раз мы пишем "по второму", а не "по другому", мы намекаем вам, читатель, что есть третий, по которому не пошел никто). Этот второй путь, очень естественный для Кремниевой долины, таков: на поверхности кремниевой пластины располагаются 50-микронные медные квадратики. Они являются резонаторами для волны определенной частоты, и геометрия их подобрана так, что (по крайней мере, в некотором диапазоне частот) материал проявляет те самые необычные свойства, о которых речь шла выше. От "материала" в обычном понимании этот объект отличается двумя особенностями. Во-первых, это плоскость, а не объемная вещь. Во-вторых, если "квадратики" работают как резонаторы, то необычные свойства материала будут проявляться в узком диапазоне частот, причем будет иметь место огорчительная связь - чем ярче, сильнее будут свойства, тем уже будет диапазон.


Но можно (чисто теоретически, конечно) предположить, что существует третий путь. Нельзя ли вырастить из нанотрубок надлежащую структуру? Тем более что "нанопену" из нанотрубок в Австралийском национальном университете в Канберре уже сделали. И даже не обязательно делать их из любимого всеми углерода. Важно, чтобы они проводили ток.


А химик бы немедленно предложил четвертый путь. Ротаксаны! Тут и кольца, и проволочки в одном флаконе. Правда, они расположены не как нам хочется, а по-своему. Зато элементов, как указано в начале статьи, хоть и меньше, чем штанов, но все-таки довольно много. А уж молекул... Не сварят ли химики надлежащую молекулу, которая сама была бы "правильным" резонатором?