CC BY
36
Наноэлектромагнетизм -перспективное направление научных исследований
Сергей Максименко,
завлабораторией электродинамики неоднородных сред Института ядерных проблем Белгосуниверситета, доктор физико-математических наук, доцент
Последние два десятилетия ознаменовались быстрым прогрессом в синтезе различных типов искусственных сред и материалов, обладающих наноразмерной структурированностью и характеристиками, существенно отличающимися от свойств природных сред. По сути дела, происходит фундаментальный перелом в физике и химии конденсированного состояния, значительно расширяющий наши представления о природе твердых тел и возможности управления их свойствами, сделан решительный шаг к созданию материалов, приборов и устройств с новыми уникальными качествами. Более того, появилась возможность проектирования свойств материалов на субмикронном уровне. Слова с приставкой «нано» - наноэлектроника и нанооптика, наномеханика, наносен-сорика, наноматериалы - определяют целые направления в современной физике, химии, материаловедении, приборостроении.
Развитие наноэлектроники - электроники на глубоком субмикронном уровне, с линейными размерами элементов цепей меньше 0,1 мкм, - создает предпосылки для нового этапа в решении проблемы миниатюризации устройств передачи, приема и обработки информации и существенного снижения их энергопотребления. Термин подразумевает как традиционные микроэлектронные устройства и технологии с высокой степенью миниатюризации, так и последние достижения молекулярной электроники, которая манипулирует одиночными атомами и молекулами. Идет разработка мономолекулярных логических схем, которые могут стать базовыми элементами для новых поколений компьютеров. Основу для этого создают новые наноструктурированные технологические материалы, такие как различные формы наноуглерода - графен, фуллерены и углеродные нанотрубки, органические полимеры и композиты на их основе. Важное значение имеют структуры с квантовыми ямами, проводами и точками - локализованными наноразмерными включениями в полупроводник, обеспечивающими пространственное квантование движения носителей заряда в одном или нескольких направлениях и тем самым возможность использования таких структур в качестве
активных сред полупроводниковых лазеров. В частности, достигнут значительный прогресс в создании однофотонных источников света. Оптические и электронные свойства квантовых точек привлекают внимание также многообещающими возможностями для хранения, передачи и обработки квантовой информации. Развитие современных средств приема, передачи и хранения информации характеризуется существенным сдвигом в высокочастотную область рабочих диапазонов: интенсивно осваиваются терагерцовый и дальний инфракрасные диапазоны. Разработка элементной базы для них - одна из ключевых задач нанотехнологии.
Недавние исследования продемонстрировали перспективность использования наночастиц в медицине в качестве носителей для внутриклеточной доставки лекарств и избирательного термолиза больных клеток. В связи с этим особую актуальность приобретают исследования гибридных наноразмерных форм, таких как углеродная нанотрубка и квантовая точка, металлическая наночастица и ДНК, и т.п. В последнее время гибридные наноструктуры привлекли к себе внимание как основа для создания более эффективных фотоэлементов.
Твердотельные наноструктуры представляют собой нано-размерные неоднородности различной природы и конфигурации внутри полупроводниковых и диэлектрических сред. Эти объекты объединяют весьма малые размеры в одном или нескольких направлениях, всего на 1-2 порядка превышающие характерное межатомное расстояние. При таких условиях длина волны электрона оказывается сравнимой с размерами системы, и квантовая природа носителей заряда проявляется в полной мере. В частности, возникает эффект пространственного ограничения движения зарядов, который приводит к дискретизации энергетического спектра с энергетическими уровнями, определяемыми размером и формой нанообъекта. Фактически наночастица приобретает свойства, делающие ее похожей на некий искусственный атом. Именно этот эффект лежит в основе использования полупроводниковых структур пониженной размерности в качестве активной среды полупроводникового лазера, обеспечивает уникальное свойство одностенных углеродных нанотрубок менять свою проводимость на несколько порядков при изменении радиуса на десятые доли нанометра.
В макроскопическом мире процессы взаимодействия электромагнитного поля с веществом являются предметом классического раздела физики - электромагнетизма, а инструментом исследования этих процессов является электродинамика, базирующаяся на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля и обладающая мощным набором методов и средств решения чрезвычайно слож-
НАНОЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
ных задач. Многие разделы электродинамики, например теория цепей или теория электромагнитной совместимости, давно уже стали инженерными дисциплинами, без которых невозможна качественная подготовка специалистов радиотехнического профиля. Развитие электродинамики всегда тесно увязывалось с практическими проблемами, возникающими при решении задач приема, передачи и обработки сигналов теми или иными системами в различных средах. Так, проблема радиолокации привела к развитию методов расчета рассеяния электромагнитных волн на телах произвольной формы, а потребность осуществления дальней радиосвязи повлекла создание теории рассеяния на статистически неоднородных поверхностях. Становление квантовой электроники потребовало создания теории открытых квазиоптических резонаторов. Синтез высококачественных оптических волокон сделал реальной волоконно-оптическую связь, что привело к развитию теории открытых диэлектрических волноводов. Развитие микроэлектроники стимулировало работы по электродинамике микрополосковых и других планарных структур. Современный этап развития электродинамики связан с созданием высокоэффективных методов описания дифракции на телах с произвольной пространственной конфигурацией и диссипацией энергии.
Учитывая прогресс технологий синтеза все новых типов нано-структурированных объектов и материалов и потребности их применения в информационных и сенсорных системах, можно с уверенностью утверждать, что моделирование наноструктур и наноразмерных элементов цепей и систем является одним из магистральных направлений развития современной электродинамики. В связи с этим возникают иные задачи, а хорошо известные приемы и методы наполняются новым содержанием. Важно подчеркнуть, что в силу эффекта пространственного ограничения движения носителей заряда, решение задач взаимодействия электромагнитных волн с наноразмерны-ми структурами выходит за рамки классической электродинамики и требует использования современных методов физики твердого тела. В наномире возникает неразрывная связь уравнений Максвелла и уравнения Шредингера, базового уравнения квантовой механики. По сути дела, электродинамическая задача на нано-уровне должна формулироваться как самосогласованная задача о движении носителей заряда в создаваемом ими электромагнитном поле. Очевидно, что в этом случае традиционное для классической электродинамики введение материальных параметров среды становится невозможным или, по крайней мере, требует существенной модификации. В частности, квантование движения носителей заряда и неоднородность электромагнитного поля внутри и вблизи наноразмерных объектов часто приводит к пространственной нелокальности электромагнитного отклика, обеспечивает необычные механизмы неустойчивости и нелинейности, делает нанообъекты привлекательными для использования в квантовых информационных сетях для хранения и передачи информации. Осознание этого факта явилось мотивацией для цикла исследований по электродинамике наноструктур, выполненных в лаборатории электродинамики неоднородных сред НИИ ядерных проблем БГУ, и привело к созданию нового научного направления - наноэлектромагнетизма, объединяющего методы и подходы классической электродинамики СВЧ и современной квантовой физики конденсированного состояния и физической электроники.
Этот термин стал весьма используемым, а вклад нашей группы в развитие данного направления признан во всем мире [1]. Об этом свидетельствуют высокий индекс цитируемости работ, выступления с докладами на различных международных конференциях [2, 3], признание значимости исследований Международным обществом оптики и фотоники: за вклад в развитие наноэлектромагнетизма автор данной статьи избран почетным членом этого общества (SPIE Fellow). В 2011 г. группа сотрудников лаборатории получила Премию БГУ им. академика А.Н. Севченко за цикл работ «Электродинамика наноструктур». В мае 2012 г. в Минске прошла международная конференция по фундаментальному и прикладному наноэлектромагнетизму с участием более 120 ученых из 19 стран.
Наглядный пример применения идеологии наноэлектромагне-тизма - решение проблемы использования в качестве мономолекулярной антенны углеродной нанотрубки (УН). Известно, что она может обладать металлической проводимостью, а ее длина (около одного микрона) более чем в тысячу раз превосходит диаметр. При таких условиях представляется, что, в соответствии с теорией антенн, металлическая углеродная нанотрубка является антенным вибратором оптического диапазона. Однако такой вывод неверен, так как высокочастотная проводимость УН существенным образом отличается от таковой у металлического провода и характеризуется чрезвычайно высоким, в 50-100 раз, замедлением распространения электромагнитной волны. Этот эффект позволяет предложить УН в качестве антенны и, в более общем плане, базового блока для разработки элементной базы терагерцового диапазона частот. Интересно, что эффект замедления электромагнитной волны в нанотрубках позволил также объяснить появление терагерцового пика в поглощении композитными материалами с УН. Этот пик, чрезвычайно привлекательный для создания терагерцовых фильтров и других функциональных материалов терагерцового диапазона, наблюдался в экспериментальных работах многих групп, но его происхождение, а значит, и способы управления характеристиками, в большинстве случаев понимались неверно или же не до конца. Построенная нами теория и выполненные эксперименты с калиброванными по длине нанотрубками [4] поставили точку в этой дискуссии. Отметим также, что названный выше эффект замедления электромагнитной волны в УН позволил предложить этот объект в качестве основы для создания лампы бегущей волны терагерцового диапазона - мономолекулярного аналога хорошо известного с 50-х гг. радиоэлектронного устройства. Мы полагаем, что она будет востребована при создании активных элементов цепей терагерцового диапазона.
Сильное поглощение электромагнитного излучения наноча-стицами позволяет реализовать селективное уничтожение больных клеток (термолиз клеток) путем введения в них наночастиц и последующим их нагревом внешним излучением. В настоящее время такая технология борьбы с раком с использованием золотых наночастиц и инфракрасного излучения широко исследуется во всем мире. Разработки в этом направлении велись и в ИТМО НАН Беларуси. При этом описание поглощения излучения наночастицами классическими методами не согласуется с экспериментальными данными и, таким образом, затрудняет оптимизацию разрабатываемых систем. Углеродные нанотрубки - весьма перспективный термоагент, особенно при переходе от инфракрасного диапазона к радиочастотному. Одна-
№11(117) Ноябрь 2012 НАУКА И ИННОВАЦИИ 13
ко и в этом случае отсутствие приемлемой модели взаимодействия нанотрубки с радиочастотным полем, по сути, делали невыполнимой задачу оптимизации параметров. Выполненное нами моделирование с учетом особенностей проводимости УН, влияния покрытий и проводимости внутриклеточной жидкости привело, в частности, к неожиданному выводу о преимуществах использования металлических нанотрубок вместо полупроводниковых, как полагалось ранее [5]. Конечно, это комплексная научно-практическая проблема, требующая совместных усилий физиков, биологов и медиков.
В условиях существенного повышения уровня интеграции электронных средств и роста рабочих частот остро встает проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) элементов в субмикронных и наноразмерных интегральных схемах. Вероятно, сейчас преждевременно говорить о широком производстве многокомпонентных и многофункциональных наноэлектронных систем, ведь идет процесс становления базы наноэлектроники. Однако уже сейчас можно утверждать, что содержание основных принципов ЭМС применительно к наноэлектронике будет существенно отличаться от ее классической формулировки, применяемой в макроскопической радиотехнике и являющейся обязательным элементом образования радиоинженера любого профиля. Кардинальное отличие проблемы ЭМС на наноуровне состоит в том, что функционирование наноразмерных элементов цепей базируется на законах квантовой физики, и, соответственно, эти законы будут оказывать существенное влияние на интерференционное взаимодействие элементов, при этом возникают механизмы, не имеющие аналогов в классической электродинамике. Поскольку современная теория ЭМС целиком основана на классической макроскопической электродинамике, в ближайшем будущем следует ожидать интенсивного пересмотра основ ЭМС применительно к наноструктуриро-ванным многоэлементным системам с учетом уравнений Максвелла и многочастичных квантовых уравнений движения. Результатом станет набор рекомендаций по оптимальному с точки зрения ЭМС синтезу многоэлементных наноэлектронных систем и устройств.
Важнейшее направление применения концепции наноэлектро-магнетизма - моделирование и исследование электромагнитного отклика макроскопических материалов с наноразмерными включениями, так называемых нанокомпозитов, а также разработка на их основе различных функциональных материалов, обеспечивающих улучшенные потребительские свойства. В частности, использование Ун в качестве наполнителя при получении полимерных композиционных материалов позволяет существенно влиять на их электромагнитный отклик. При этом используются достаточно малые массовые концентрации нанотрубок (до 2%), что позволяет сохранить в композите практически невозмущенными свойства чистых полимеров и изолированных трубок. Это открывает целый спектр возможностей при получении легких эластичных конструкционных материалов, эффективно экранирующих электромагнитное излучение. Они могут быть использованы для решения задач электромагнитной совместимости в условиях дефицита веса, сложной формы экранируемых объектов, воздействия агрессивных сред, то есть в случаях, когда простые решения не работают. С этой точки зрения весьма перспективны исследования по созданию макроскопических радиотехнических устройств для сантиметрового и миллиметрового диапазонов с при-
менением проводящих нанокомпозитов в качестве конструкционных материалов. Следующий шаг в этом направлении - разработка проводящих полимерных красок и чернил для создания радиотехнических устройств на гибких полимерных носителях с использованием в том числе современных технических методов печати. Естественно, что углеродные нанотрубки - только один из возможных наноразмерных наполнителей. Более предпочтительны при решении тех или иных практических задач металлические наночастицы, особенно вытянутые, магнитные, а также другие формы наноуглерода, такие как графеновые хлопья, углерод луковичной структуры [6]. В качестве матрицы совершенно не обязательно выступают полимеры. В нашей недавней работе [7], выполненной в сотрудничестве с российскими учеными из Института неорганической химии СО РАН и учеными НИИ физико-химических проблем БГУ, представлен новый керамический материал, полученный добавлением углеродных нанотрубок в термостойкую фосфатную керамику. Установлено, что введение 2 массовых процентов многослойных нанотрубок приводит к росту проводимости на 13 порядков по сравнению с исходным материалом. Очевидно, что такие проводящие керамики весьма перспективны.
Таким образом, наноэлектромагнетизм - новое научное направление, сочетающее в себе строгий фундаментально-научный подход к решению задач и четкую нацеленность на достижение практически значимых результатов сегодня и в недалеком будущем. Наши исследования выполняются в рамках ряда проектов Государственных программ фундаментальных исследований, поддерживаются Министерством образования Беларуси, БРФФИ. В настоящее время коллектив лаборатории в широкой кооперации с учеными различных стран выполняет проект Международного научно-технического центра «Композиционные материалы для электромагнитных приложений» и проекты 7-й Рамочной программы Евросоюза - «Компоненты и материалы на основе наноуглерода для высокочастотной электроники» и «Институциональное развитие прикладного наноэлектромагнетизма: Беларусь в расширении Европейского исследовательского пространства». Подробный анализ современных тенденций развития наноэлектромагнетизма сделан в подготовленном нами аналитическом обзоре [8, 9]. ■
Литература
1. S.A. Maksimenko and G.Ya. Slepyan. Nanoelectromagnetics of low-dimensional structures, in «The Handbook of Nanotechnology: Nanometer Structure Theory, Modeling, and Simulation» Ed. by: A. Lakhtakia, SPIE Press, 2004, pp. 145-206.
2. G.Ya. Slepyan et al. Electromagnetic response of the carbon nanotube based composites in the GHz and THz frequency ranges, International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications & IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications, September 12-17, 2011 Torino, Italy, http:/www. iceaa.net/.
3. S. Maksimenko. Challenges and perspectives in nanoscale electromagnetic and circuital modelling, 16th IEEE Workshop on Signal Power Integrity SPI 2012, Grand Hotel Parco dei Principi May 13-16, 2012, Sorrento, Italy, http://www.spi2012.org.
4. M.V. Shuba et al. Experimental evidence of localized plasmon resonance in composite materials containing single-wall carbon nanotubes, Phys. Rev. B 85, 165435 (2012).
5. M.V. Shuba et al. Potential of carbon nanotubes for cancer cells thermolysis in RF exposing field, in: Y.N. Shunin & A.E. Kiv (eds), Nanodevices and nanomaterials for ecological security, part 1, pp. 37-48, Springer science + business media, Dordreht, 2012.
6. P.P. Kuzhir et al. Carbon onion composites for EMC applications, IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, 54(1), pp. 6-16, 2012.
7. П.П. Кужир и др. Термостойкие фосфатные композиции, модифицированные микроструктурными соединениями бора и углеродными нанотрубками, для использования в прикладной ядерной физике // Доклады НАН Беларуси. Т. 56, №3, май - июнь 2012. С. 68-72.
8. Г.Я. Слепян, С.А. Максименко, П.П. Кужир. Современные тенденции развития наноэлектромагнетизма. Аналитический обзор. - Мн., 2012.
9. Электронный ресурс: www.nano.bsu.by.
