eng
DOI:10.22184/1993-8578.2016.69.7.6.13
В 2009 году в Санкт-Петербургском государственном университете был создан Междисциплинарный ресурсный центр (МРЦ) по направлению "Нанотехнологии". Благодаря оснащению не только современным, но и даже уникальным для России измерительным оборудованием МРЦ стал одним из наиболее передовых отечественных центров исследования нанообъектов. В том же году в Санкт-Петербурге состоялась первая Международная научная конференция STRANN (от англ. State-of-the-art Trends of scientific Research of Artificial and Natural Nanoobjects). О связи между этими двумя событиями, особенностях формирования программы конференции, сотрудничестве с компанией Carl Zeiss, проблемах и перспективах развития исследований нанообъектов рассказал первый директор МРЦ и один из идеологов и организаторов STRANN, доктор ф.-м. н., профессор СПбГУ Олег Федорович Вывенко.
Олег Федорович, вы являетесь одним из инициаторов проведения Международной научной конференции STRANN, как возникла эта идея и в чем отличие конференции от других, близких по тематике мероприятий?
История конференции тесно связана с созданием и развитием в Санкт-Петербургском государственном университете МРЦ по направлению "Нанотехнологии". В 2008 году университет стал участником Федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы". Поскольку на тот момент СПбГУ не располагал приборами для исследования наноразмерных объектов, мы с коллегами предложили использовать выделенные государством средства на приобретение современных электронных микроскопов. Руководство университета одобрило заявку, и был проведен тендер, в котором победила компания Carl Zeiss. Главным нашим приобретением стал новейший сканирующий ионный гелиевый микроскоп Zeiss ORION, который в то время фактически еще только анонсировался и был поставлен немецкой компанией на очень выгодных для нас условиях. В 2009 году, когда оборудование установили и запустили в эксплуатацию, появилась идея провести торжественное открытие МРЦ. Однако протокольное мероприятие само по себе мало кому интересно, поэтому было предложено приурочить к открытию центра конференцию, посвященную проблемам исследования нанообъектов. Это предложение нашло поддержку у руководства компании Carl Zeiss, что позволило уже на первую конференцию, получившую название STRANN, пригласить группу ведущих европейских специалистов в области электронной микроскопии.
С тех пор, с 2012 года, конференция STRANN стала проводиться в Санкт-Петербурге регулярно – один раз в два года. Ее отличают междисциплинарность и ориентация на обмен практическим опытом проведения исследований. Формат конференции подсказали аналогичные мероприятия для пользователей синхротронов, когда специалисты из разных областей знаний делятся результатами применения определенных видов оборудования для решения своих задач. Как известно, особенно много новых идей рождается на стыке наук, поэтому очень важно, что участниками STRANN становятся люди разных специальностей, которые на других мероприятиях обычно не пересекаются. Также мы приглашаем представителей производителей оборудования, которые рассказывают о новых разработках.
В 2014 году в число организаторов вошел университет ИТМО, с которым у нас реализуются совместные исследовательские проекты, и который также располагает современным оборудованием для электронной микроскопии. На STRANN 2016 акцент в тематике докладов был сделан на фотонику в продолжение инициативы ООН, объявившего 2015 год международным годом света и световых технологий.
Почему конференция проводится один раз в два года при том, что наука в области исследования нанообъектов развивается достаточно динамично?
Мы пробовали и годичный цикл, но практика показывает, что два года – это минимальный срок, чтобы пройти от новой идеи до первых серьезных результатов. Для рутинных исследований, когда физические процессы понятны, методы отработаны, и меняются только некоторые параметры эксперимента, требуется меньше времени. Но для получения прорывных результатов, когда на первой стадии работ физические процессы не ясны, и приходится действовать методом проб и ошибок, одного года недостаточно.
Насколько результативна практика привлечения докладчиков из разных областей знания?
Современное научное сообщество имеет, образно говоря, клановую структуру, при которой представители разных областей знаний очень мало общаются друг с другом и редко делятся опытом. Такие мероприятия, как наша конференция, позволяют преодолеть эти недостатки. Например, на STRANN началось наше сотрудничество с Институтом радиотехники и электроники РАН, результатом которого стала методика получения перфорированного графена с помощью пучков гелиевых атомов. На конференции 2016 года разработчикам нанокомпозитов оказался полезен опыт исследователей ДНК в области измерения проводимости нанопроволок. И таких примеров достаточно много. Считаю, что если на конференции с сотней участников сложатся 10 совместных работ, то это будет очень хорошим результатом.
Каковы принципы организации работы МРЦ?
Поскольку СПбГУ является научно-образовательной организацией, основой работы центра изначально стала ориентация на получение научных результатов при безвозмездном предоставлении исследовательских услуг. Для контроля создана система учета использования ресурсов. Высокая эффективность работы центра способствовала тому, что СПбГУ получил от государства дополнительные средства, которые были использованы для создания МРЦ по другим направлениям. В настоящее время в университете более 20 оснащенных современным оборудованием и укомплектованных квалифицированным персоналом ресурсных центров, и мы активно используем их возможности.
Каким оборудованием оснащен МРЦ?
Упоминавшийся сканирующий ионный микроскоп Zeiss ORION способен работать с субнанометровым разрешением. Поскольку ионы имеют большую массу, чем электроны, уменьшается влияние дифракции и увеличивается область их рассеяния на атомах исследуемого материала, что улучшает контраст изображений. Кроме того, ток пучка ионов значительно меньше, чем ток пучка электронного микроскопа, поэтому удается минимизировать модификацию образца в процессе исследования. Система компенсации заряда поверхности позволяет эффективно работать с диэлектриками.
Сканирующий электронный микроскоп Zeiss MERLIN с полевым эмиссионным катодом, колонной электронной оптики GEMINI-II и безмаслянной вакуумной системой дополнительно укомплектован приставкой для рентгеновского микроанализа и системой регистрации дифракции обратнорассеянных электронов (EBSD).
Еще один сканирующий электронный микроскоп – Zeiss SUPRA 40VP – оснащен системой регистрации катодолюминесценции, системой регистрации токов, наведенных электронным лучом (EBIC), а также микроманипуляторами, позволяющими модифицировать наноструктуры с контролем в режиме реального времени.
Кроме того, центр располагает рабочей станцией Zeiss AURIGA Laser с пересекающимися ионным и электронным пучками, настольным сканирующим электронным микроскопом Mini-SEM и другим аналитическим оборудованием, среди которого оптические микроскопы, комплекс пробоподготовки.
Для просвечивающей электронной микроскопии мы используем Zeiss LIBRA 200FE с автоэмиссионным эмиттером, энергетическим ОМЕГА-фильтром и запатентованной Carl Zeiss системой освещения по Келеру. Микроскоп применяется для характеризации кристаллической решетки и химической природы нанообъектов, локального анализа элементного состава, анализа многослойных гетероструктур, идентификации дефектов кристаллической решетки полупроводниковых материалов, исследования тонкой структуры биологических объектов, а также других задач.
Какими работами в настоящее время занимается ваша научная группа?
Объемы финансирования науки сейчас сокращены, поэтому исследования ведутся в основном в инициативном порядке. Мы занимаемся ионной гелиевой микроскопией, в частности, изучаем энергетическое распределение вторичных электронов, которое очень важно, например, для развития ионно-лучевой литографии, позволяющей получать элементы размером менее 10 нм. Написали одну из основных глав в книге об ионной гелиевой микроскопии. Изучаем нитрид галлия и возможности повышения эффективности светодиодов на его основе. Идея состоит в том, чтобы при росте кристалла сформировать дислокации, которые заставят рекомбинировать носители в настолько узкой области, чтобы минимизировать влияние дефектов кристаллической структуры и максимизировать излучение. Также изучаем управление магнитными свойствами пленок при помощи ионного пучка.
С какими научными организациями ведется сотрудничество?
В Санкт-Петербурге сотрудничаем с Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе РАН, Академическим университетом РАН, Политехническим университетом Петра Великого, университетом ИТМО, Государственным технологическим институтом. Также в России совместные работы ведутся с научными организациями из Москвы, Нижнего Новгорода, Екатеринбурга, Новосибирска. Прочные контакты установлены с несколькими немецкими университетами.
Получаете ли вы заказы на НИРы от коммерческих компаний?
Пять-шесть лет назад запросов поступало достаточно много, в частности, на задачи обратного инжиниринга. В основном речь шла об исследованиях в области полупроводников, но были проекты и в медицине, например мы участвовали в разработке покрытий для зубных имплантов. К сожалению, большинство тех заказчиков – преимущественно маленьких компаний, стартапов – прекратили свою деятельность. Здесь следует сказать, что поддержка малого бизнеса в области высоких технологий в нашей стране организована не лучшим образом. На стадии разработки нового продукта такие компании нуждаются в помощи государства. В Германии есть механизмы, когда государство берет на себя до 50% затрат на НИОКР, в США венчурное финансирование работает очень эффективно, а в России найти средства на новые разработки очень сложно.
Каковы, на ваш взгляд, тенденции в области исследования нанообъектов?
Материаловедению и, в частности нанотехнологиям, необходима доказательная база, благодаря которой мы можем однозначно установить, что является причиной того или иного процесса и явления. Созданию и расширению такой базы способствует развитие методов исследований, поэтому закономерна тенденция роста их числа и возможностей, причем новые методы быстро внедряются в научную практику. В этих условиях очень важно информировать научное сообщество о новых методах и практическом опыте их применения. Решается эта задача в том числе благодаря таким конференциям, как STRANN.
Какие методы исследований развиваются наиболее активно?
Значительный прогресс достигнут в области сканирующей зондовой микроскопии. На STRANN 2014 выступали китайские коллеги, которым удалось с помощью атомно-силовой микроскопии исследовать водородные связи. Также отмечу развитие атомно-зондового метода, в англоязычной терминологии – Atom Probe, который позволяет на атомарном уровне исследовать строение вещества.
В последнее десятилетие развивается просвечивающая электронная микроскопия с субангстремным разрешением. Новые микроскопы с коррекцией аберраций позволяют наблюдать структуру материалов фактически на уровне атомных рядов. Например, сочетание электронной микроскопии высокого разрешения со спектроскопией характеристических потерь энергии электронов дает возможность в сканирующем режиме определять композицию, что очень важно для исследований наноматериалов.
Существует ли обратная связь между производителями и пользователями приборов и насколько она эффективна?
Безусловно, такая связь не только существует, но и достаточно эффективно работает. В нашей конференции регулярно принимают участие специалисты компании Carl Zeiss, которые не только рассказывают о своих разработках, но и являются заинтересованными слушателями. Производителям оборудования требуется понимание того, что нужно пользователю. Поэтому они собирают информацию о том, над какими проблемами работают исследователи, какие методы при этом используют, каких возможностей им не хватает.
Что необходимо МРЦ для дальнейшего развития?
На мой взгляд, нашему центру, да и всему Северо-западному региону, требуется электронная микроскопия с коррекцией аберраций. В Японии просвечивающих микроскопов с коррекцией аберраций около 100, в России – пока всего по пальцам перечесть; а нового уровня скорректированных по аберрациям низковольтных сканирующих микроскопов сверхвысокого разрешения нет и в Японии.
Если мы хотим развивать передовые научные направления, то необходимо оснащать научные центры современным исследовательским оборудованием самого высокого уровня. Например, единственный в России гелиево-ионный микроскоп Zeiss ORION мы получили одними из первых в мире. С его помощью были выполнены работы, которые опубликованы в ведущих научных журналах, представлены на международных конференциях, в том числе и на STRANN. Специалисты нашего центра накопили уникальный опыт работы. Эта тема остается актуальной и сегодня, но технологии развиваются очень быстро. Мы пристально следим за развитием технологий, за тенденциями в науке и очень важно, чтобы поддержка научных центров, которые показали свою конкурентоспособность, не прекращалась.
Интервью: Дмитрий Гудилин
Олег Федорович, вы являетесь одним из инициаторов проведения Международной научной конференции STRANN, как возникла эта идея и в чем отличие конференции от других, близких по тематике мероприятий?
История конференции тесно связана с созданием и развитием в Санкт-Петербургском государственном университете МРЦ по направлению "Нанотехнологии". В 2008 году университет стал участником Федеральной целевой программы "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы". Поскольку на тот момент СПбГУ не располагал приборами для исследования наноразмерных объектов, мы с коллегами предложили использовать выделенные государством средства на приобретение современных электронных микроскопов. Руководство университета одобрило заявку, и был проведен тендер, в котором победила компания Carl Zeiss. Главным нашим приобретением стал новейший сканирующий ионный гелиевый микроскоп Zeiss ORION, который в то время фактически еще только анонсировался и был поставлен немецкой компанией на очень выгодных для нас условиях. В 2009 году, когда оборудование установили и запустили в эксплуатацию, появилась идея провести торжественное открытие МРЦ. Однако протокольное мероприятие само по себе мало кому интересно, поэтому было предложено приурочить к открытию центра конференцию, посвященную проблемам исследования нанообъектов. Это предложение нашло поддержку у руководства компании Carl Zeiss, что позволило уже на первую конференцию, получившую название STRANN, пригласить группу ведущих европейских специалистов в области электронной микроскопии.
С тех пор, с 2012 года, конференция STRANN стала проводиться в Санкт-Петербурге регулярно – один раз в два года. Ее отличают междисциплинарность и ориентация на обмен практическим опытом проведения исследований. Формат конференции подсказали аналогичные мероприятия для пользователей синхротронов, когда специалисты из разных областей знаний делятся результатами применения определенных видов оборудования для решения своих задач. Как известно, особенно много новых идей рождается на стыке наук, поэтому очень важно, что участниками STRANN становятся люди разных специальностей, которые на других мероприятиях обычно не пересекаются. Также мы приглашаем представителей производителей оборудования, которые рассказывают о новых разработках.
В 2014 году в число организаторов вошел университет ИТМО, с которым у нас реализуются совместные исследовательские проекты, и который также располагает современным оборудованием для электронной микроскопии. На STRANN 2016 акцент в тематике докладов был сделан на фотонику в продолжение инициативы ООН, объявившего 2015 год международным годом света и световых технологий.
Почему конференция проводится один раз в два года при том, что наука в области исследования нанообъектов развивается достаточно динамично?
Мы пробовали и годичный цикл, но практика показывает, что два года – это минимальный срок, чтобы пройти от новой идеи до первых серьезных результатов. Для рутинных исследований, когда физические процессы понятны, методы отработаны, и меняются только некоторые параметры эксперимента, требуется меньше времени. Но для получения прорывных результатов, когда на первой стадии работ физические процессы не ясны, и приходится действовать методом проб и ошибок, одного года недостаточно.
Насколько результативна практика привлечения докладчиков из разных областей знания?
Современное научное сообщество имеет, образно говоря, клановую структуру, при которой представители разных областей знаний очень мало общаются друг с другом и редко делятся опытом. Такие мероприятия, как наша конференция, позволяют преодолеть эти недостатки. Например, на STRANN началось наше сотрудничество с Институтом радиотехники и электроники РАН, результатом которого стала методика получения перфорированного графена с помощью пучков гелиевых атомов. На конференции 2016 года разработчикам нанокомпозитов оказался полезен опыт исследователей ДНК в области измерения проводимости нанопроволок. И таких примеров достаточно много. Считаю, что если на конференции с сотней участников сложатся 10 совместных работ, то это будет очень хорошим результатом.
Каковы принципы организации работы МРЦ?
Поскольку СПбГУ является научно-образовательной организацией, основой работы центра изначально стала ориентация на получение научных результатов при безвозмездном предоставлении исследовательских услуг. Для контроля создана система учета использования ресурсов. Высокая эффективность работы центра способствовала тому, что СПбГУ получил от государства дополнительные средства, которые были использованы для создания МРЦ по другим направлениям. В настоящее время в университете более 20 оснащенных современным оборудованием и укомплектованных квалифицированным персоналом ресурсных центров, и мы активно используем их возможности.
Каким оборудованием оснащен МРЦ?
Упоминавшийся сканирующий ионный микроскоп Zeiss ORION способен работать с субнанометровым разрешением. Поскольку ионы имеют большую массу, чем электроны, уменьшается влияние дифракции и увеличивается область их рассеяния на атомах исследуемого материала, что улучшает контраст изображений. Кроме того, ток пучка ионов значительно меньше, чем ток пучка электронного микроскопа, поэтому удается минимизировать модификацию образца в процессе исследования. Система компенсации заряда поверхности позволяет эффективно работать с диэлектриками.
Сканирующий электронный микроскоп Zeiss MERLIN с полевым эмиссионным катодом, колонной электронной оптики GEMINI-II и безмаслянной вакуумной системой дополнительно укомплектован приставкой для рентгеновского микроанализа и системой регистрации дифракции обратнорассеянных электронов (EBSD).
Еще один сканирующий электронный микроскоп – Zeiss SUPRA 40VP – оснащен системой регистрации катодолюминесценции, системой регистрации токов, наведенных электронным лучом (EBIC), а также микроманипуляторами, позволяющими модифицировать наноструктуры с контролем в режиме реального времени.
Кроме того, центр располагает рабочей станцией Zeiss AURIGA Laser с пересекающимися ионным и электронным пучками, настольным сканирующим электронным микроскопом Mini-SEM и другим аналитическим оборудованием, среди которого оптические микроскопы, комплекс пробоподготовки.
Для просвечивающей электронной микроскопии мы используем Zeiss LIBRA 200FE с автоэмиссионным эмиттером, энергетическим ОМЕГА-фильтром и запатентованной Carl Zeiss системой освещения по Келеру. Микроскоп применяется для характеризации кристаллической решетки и химической природы нанообъектов, локального анализа элементного состава, анализа многослойных гетероструктур, идентификации дефектов кристаллической решетки полупроводниковых материалов, исследования тонкой структуры биологических объектов, а также других задач.
Какими работами в настоящее время занимается ваша научная группа?
Объемы финансирования науки сейчас сокращены, поэтому исследования ведутся в основном в инициативном порядке. Мы занимаемся ионной гелиевой микроскопией, в частности, изучаем энергетическое распределение вторичных электронов, которое очень важно, например, для развития ионно-лучевой литографии, позволяющей получать элементы размером менее 10 нм. Написали одну из основных глав в книге об ионной гелиевой микроскопии. Изучаем нитрид галлия и возможности повышения эффективности светодиодов на его основе. Идея состоит в том, чтобы при росте кристалла сформировать дислокации, которые заставят рекомбинировать носители в настолько узкой области, чтобы минимизировать влияние дефектов кристаллической структуры и максимизировать излучение. Также изучаем управление магнитными свойствами пленок при помощи ионного пучка.
С какими научными организациями ведется сотрудничество?
В Санкт-Петербурге сотрудничаем с Физико-техническим институтом им. А.Ф.Иоффе РАН, Академическим университетом РАН, Политехническим университетом Петра Великого, университетом ИТМО, Государственным технологическим институтом. Также в России совместные работы ведутся с научными организациями из Москвы, Нижнего Новгорода, Екатеринбурга, Новосибирска. Прочные контакты установлены с несколькими немецкими университетами.
Получаете ли вы заказы на НИРы от коммерческих компаний?
Пять-шесть лет назад запросов поступало достаточно много, в частности, на задачи обратного инжиниринга. В основном речь шла об исследованиях в области полупроводников, но были проекты и в медицине, например мы участвовали в разработке покрытий для зубных имплантов. К сожалению, большинство тех заказчиков – преимущественно маленьких компаний, стартапов – прекратили свою деятельность. Здесь следует сказать, что поддержка малого бизнеса в области высоких технологий в нашей стране организована не лучшим образом. На стадии разработки нового продукта такие компании нуждаются в помощи государства. В Германии есть механизмы, когда государство берет на себя до 50% затрат на НИОКР, в США венчурное финансирование работает очень эффективно, а в России найти средства на новые разработки очень сложно.
Каковы, на ваш взгляд, тенденции в области исследования нанообъектов?
Материаловедению и, в частности нанотехнологиям, необходима доказательная база, благодаря которой мы можем однозначно установить, что является причиной того или иного процесса и явления. Созданию и расширению такой базы способствует развитие методов исследований, поэтому закономерна тенденция роста их числа и возможностей, причем новые методы быстро внедряются в научную практику. В этих условиях очень важно информировать научное сообщество о новых методах и практическом опыте их применения. Решается эта задача в том числе благодаря таким конференциям, как STRANN.
Какие методы исследований развиваются наиболее активно?
Значительный прогресс достигнут в области сканирующей зондовой микроскопии. На STRANN 2014 выступали китайские коллеги, которым удалось с помощью атомно-силовой микроскопии исследовать водородные связи. Также отмечу развитие атомно-зондового метода, в англоязычной терминологии – Atom Probe, который позволяет на атомарном уровне исследовать строение вещества.
В последнее десятилетие развивается просвечивающая электронная микроскопия с субангстремным разрешением. Новые микроскопы с коррекцией аберраций позволяют наблюдать структуру материалов фактически на уровне атомных рядов. Например, сочетание электронной микроскопии высокого разрешения со спектроскопией характеристических потерь энергии электронов дает возможность в сканирующем режиме определять композицию, что очень важно для исследований наноматериалов.
Существует ли обратная связь между производителями и пользователями приборов и насколько она эффективна?
Безусловно, такая связь не только существует, но и достаточно эффективно работает. В нашей конференции регулярно принимают участие специалисты компании Carl Zeiss, которые не только рассказывают о своих разработках, но и являются заинтересованными слушателями. Производителям оборудования требуется понимание того, что нужно пользователю. Поэтому они собирают информацию о том, над какими проблемами работают исследователи, какие методы при этом используют, каких возможностей им не хватает.
Что необходимо МРЦ для дальнейшего развития?
На мой взгляд, нашему центру, да и всему Северо-западному региону, требуется электронная микроскопия с коррекцией аберраций. В Японии просвечивающих микроскопов с коррекцией аберраций около 100, в России – пока всего по пальцам перечесть; а нового уровня скорректированных по аберрациям низковольтных сканирующих микроскопов сверхвысокого разрешения нет и в Японии.
Если мы хотим развивать передовые научные направления, то необходимо оснащать научные центры современным исследовательским оборудованием самого высокого уровня. Например, единственный в России гелиево-ионный микроскоп Zeiss ORION мы получили одними из первых в мире. С его помощью были выполнены работы, которые опубликованы в ведущих научных журналах, представлены на международных конференциях, в том числе и на STRANN. Специалисты нашего центра накопили уникальный опыт работы. Эта тема остается актуальной и сегодня, но технологии развиваются очень быстро. Мы пристально следим за развитием технологий, за тенденциями в науке и очень важно, чтобы поддержка научных центров, которые показали свою конкурентоспособность, не прекращалась.
Интервью: Дмитрий Гудилин
Отзывы читателей
