Нанометрология и наноматериалы

Кафедра нанометрологии создана 29 октября 2008 года, затем, 13 марта 2014 года преобразована в кафедру нанометрологии и наноматериалов.

«Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры» – эти слова принадлежат выдающемуся ученому – энциклопедисту, основоположнику российской метрологии (науки об измерениях) Дмитрию Ивановичу Менделееву.

Если двадцатый век – называют веком атомной энергетики и лазерных технологий, то конец 20-го века и начало нынешнего – это стремительное развитие полупроводниковой электроники, микро- и оптоэлектроники и, как следствие, компьютерной техники и технологий, характеризующих современную среду обитания человека.

Современный микропроцессор – сердце персонального компьютера, содержит около миллиарда полевых транзисторов, сформированных на одном полупроводниковом кристалле. При этом критический размер одного элемента составляет 20÷ 40 нанометров. Для сведения, толщина человеческого волоса порядка 100 микрометров и посему, для получения слоя размером в 10 нанометров, надо волос рассечь 10 000 раз.

Здесь же уместно привести слова лорда Кельвина – британского физика, первого президента Международной электротехнической комиссии (1906г.): «если это нельзя измерить, то нельзя это и улучшить». Требование времени определило появление новой ветви метрологии – нанометрологии, или науки об измерениях низкоразмерных систем, ориентированной в нано- и субнанометровую область.

В 2000 году Нобелевская премия по физике была присуждена академику Жоресу Ивановичу Алферову и американскому ученому Херберту Кремеру за «разработку полупроводниковых гетероструктур, используемых в опто- и высокоскоростной электронике» и американцу Джеку Килби за «исследования в области интегральных схем». Дальнейшее развитие гетероструктур привело к «сверхрешеткам», сформированным из слоев толщиной в десятки – сотни атомов, квантовым точкам, квантовым ямам, квантовым проводам – материалам функциональной микро- и наноэлектроники.

В 2010 году Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию в области физики Андрею Гейму и Константину Новоселову (профессора Университета Манчестера, Великобритания; выпускники МФТИ) за «новаторские экспериментальные исследования двумерного материала графена» – материала атомарной толщины, фантастической прочности и электропроводности и многих других свойств.

Полученные результаты наряду с многими другими являются предтечей ускоренного развития нанотехнологий, функциональной электроники и наноэлектроники, компьютерной техники, оптоэлектроники и многих других отраслей науки и техники, что определяет направления деятельности кафедры нанометрологии и наноматериалов.

При кафедре функционируют Центр коллективного пользования МФТИ (ЦКП МФТИ) и Научно-образовательный центр – НОЦ «Нанотехнологии», оснащенные передовым приборно-аналитическим (просвечивающая и растровая электронная микроскопия, зондовая микроскопия, рентгеновская и электронная дифрактометрия, оптическая спектроскопия и эллипсометрия и т.д.) и технологическим оборудованием (оптическая и электронная литография, атомно-слоевое осаждение и т.д.), являющимися для бакалавров и магистрантов кафедры базисом проведения самостоятельных научных исследований в создании и прототипировании материалов, структур и элементов функциональной электроники, наноэлектроники и оптоэлектроники.

· методы и средства характеризации нанообъектов – электронная и зондовая микроскопия, рентгеновская и электронная дифрактометрия, спектроскопия ИК, видимого и УФ диапазонов; стандартные образцы состава, стуктуры, свойств и размерных параметров – шкала в нано- и субнанометровом диапазоне;

· исследования и создание прототипов логических и запоминающих функциональных элементов современной и перспективной микро- и наноэлектроники – элементов памяти на новых физических принципах;

· микро-электро-механические (MEMS), микроэлектронные и другие структуры на основе активных материалов в современных изделиях функциональной электроники;

· исследования и характеризация материалов для функциональных элементов и межсоединений устройств микро- и наноэлектроники;

· разработка физико-технологических моделей процессов изготовления интегральных микросхем нового поколения;

· разработка современных технологий печатных схем микро- и оптоэлектроники;

· разработка методик измерения параметров наноструктур и нанообъектов.

· Разработан и создан эталонный комплекс обеспечивающий хранение, воспроизведение и передачу размера единицы длины в нано- и субнанометровый диапазоны (эталонная шкала нано- и субнанометрового диапазонов). Разработчики удостоены премии Правительства Российской Федерации.

· Разработано 14 государственных стандартов в области нанометрии, в том числе

1. ГОСТ Р 8.698 – 2010. Размерные параметры наночастиц и тонких пленок. Методика выполнения измерений с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра.

2. ГОСТ Р 8.696 – 2010. Межплоскостные расстояния в кристаллах и распределение интенсивностей в дифракционных картинах. Методика выполнения измерений с помощью электронного дифрактометра.

3. ГОСТ Р 8.696 – 2010. Межплоскостные расстояния в кристаллах. Методика выполнения измерений с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

4. ГОСТ Р 8.636 – 2007. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки.

При поддержки Министерства образования и науки разработаны и изданы 18 учебных пособий, в том числе

1. А.П. Алехин «Физико-химические основы микро- и наноэлектроники», Московский физико-технический институт, 183с, 2011;

2. В.В. Вьюрков, А.А. Орликовский, И.А. Семенихин, Д.В. Негров, А.Ю. Озерин, Д.А. Свинцов «Математическое и компьютерное моделирование наносистем», Московский физико-технический институт, 150с, 2011;

3. Д.А. Свинцов, С.В. Захарченко, С.А. Зайцев, А.Ю. Озерин «Материаловедение наноструктурированных материалов», Московский физико-технический институт, 143с, 2011;

4. В.А. Астапенко, С.А. Зайцев «Оптические методы диагностики нанообъектов», Московский физико-технический институт, 147с, 2011;

5. А.В. Заблоцкий, А.А. Тимофеев, Е.В. Коростылев, А.А. Кузьмин «Электронная микроскопия в нанодиагностике», Московский физико-технический институт, 143с, 2011;

6. Е.Г. Дедкова, А.А. Чуприк, И.И. Бобринецкий, В.К. Неволин «Приборы и методы зондовой микроскопии», Московский физико-технический институт, 159с, 2011;

7. А.С. Батурин, М.А. Карпов, Д.А. Свинцов «Информационно-поисковые системы», Московский физико-технический институт, 123с, 2011;

8. А.Ю. Кузин, В.Д. Войтко «Государственное регулирование в области обеспечения единства измерений», Московский физико-технический институт, 129с, 2011.

Кафедра готовит специалистов-исследователей в области, объединяющей нанометрологию, материаловедение, технику и технологию разработки материалов и устройств функциональной наноэлектроники и оптоэлектроники.

Выпускники кафедры востребованы отечественными инновационными научно-исследовательскими и производственными организациями, занимающимися разработкой и производством в сфере функциональной наноэлектроники, микро- и наносистемной техники, метрологии низкоразмерных систем. Для выпускников существует возможность продолжить научную карьеру в коллективе кафедры, ЦКП МФТИ и НОЦ «Нанотехнологии»

2016:

D.Yu. Fedyanin, D.I. Yakubovsky, R.V. Kirtaev, V.S. Volkov, «Ultralow-loss CMOS copper plasmonic waveguides», Nano Letters 16, 362-366 (2016)

2015:

A. Chernikova, M. Kozodaev, A. Markeev, Yu. Matveev, D. Negrov, O. Orlov, «Confinement-free annealing induced ferroelectricity in Hf0.5Zr0.5O2 thin films», Microel. Eng., vol. 147 (2015), p. 15, DOI: 10.1016/j.mee.2015.04.024

K.V. Egorov, R.V. Kirtaev, Yu.Yu. Lebedinskii, A.M. Markeev, Yu.A. Matveyev, O.O. Orlov, A.V. Zablotskiy and A.V. Zenkevich, «Complimentary and bipolar regimes of resistive switching in fully ALD grown TiN/HfO2/TiN MIM-stacks», Phys. Stat. Sol. A, vol. 212 (2015), p. 809-816 DOI: 10.1002/pssa.201431674

Yu. Matveyev, K. Egorov, A. Markeev and A. Zenkevich, «Resistive switching and synaptic properties of fully ALD grown TiN/HfO2/TiN devices», J. of Appl. Phys., vol. 117 (2015), 044901 DOI: 10.1063/1.4905792

A. Chernikova, A. Markeev, Yu. Lebedinskii, M. Kozodaev and A. Zablotskiy «Structural, chemical and electrical properties of ALD grown HfxAl1-x Oy thin films for MIM capacitors», Phys. Stat. Sol. B, vol. 252 (2015), pp.701-708. DOI: 10.1002/pssb.201451449

2014:

Yu. Matveyev, A. Markeev, Yu. Lebedinskii, A. Chouprik, K. Egorov, W. Drube, A. Zenkevich, «Resistive switching effect in HfxAl1−xOy with a graded Al depth profile studied by hard X-ray photoelectron spectroscopy», Thin Solid Films, vol. 563 (2014), p. 20, DOI: 10.1016/j.tsf.2014.02.027

Filippov M.N., Gavrilenko V.P., Mityukhlyaev V.B., Rakov A.V., Todua P.A. «Novel method for dimensional measurements of nanorelief elements based on electron probe defocusing in a scanning electron microscope», Measurement Science and Technology Volume 25, Issue 4, April 2014, Article number 044008