Трансформация материи. Ученые рассказали о технологии атомарной «сварки»

Трансформация материи. Ученые рассказали о технологии атомарной "сварки"

Фемтосекундные лазеры – удивительные устройства, которые можно использовать как «сварочные аппараты» для трансформации материалов на атомарном уровне. Развитие этой технологии, по словам ученых, обеспечит появление биосовместимой наноэлектроники, уникальных микрочипов нового поколения и других устройств, которые изменят промышленность, медицину, быт. О своих исследованиях в этой области рассказали специалисты Национального исследовательского университета «МИЭТ» (НИУ МИЭТ).

Лазеры сверхкоротких импульсов (ЛСИ), к которым относятся фемтосекундные, аттосекундные и другие лазеры, это устройства, широко востребованные сегодня в медицине, металлообработке и спектроскопии. Фемтосекундные лазеры, например, способны генерировать импульсы длительностью от 100 фемтосекунд и меньше, что короче секунды в десять триллионов раз. За такое время свет успевает пройти всего 30 микрометров, рассказали ученые.

Эффективная атомарная “сварка»

Уже при энергии всего в 100 наноджоулей (такова, например, кинетическая энергия столкновения с препятствием летящего комара) пиковая мощность импульса фемтосекундного лазера достигнет мегаватта, что можно сравнить с вспышкой 100 тысяч обычных ламп накаливания. Благодаря тому, что длительность сверхкоротких импульсов сравнима с периодом молекулярных колебаний в веществе, обработка сфокусированным лучом такого лазера позволяет снизить и локализовать тепловое воздействие на материал.

"Лазеры с длинными импульсами действуют на кристаллическую решетку в целом, приводя к усилению колебаний ядер и разогреву вещества. Сверхкороткие импульсы настолько быстрые, что колебания ядер почти не изменяются, а энергия света поглощается напрямую электронами. Электроны отвечают за химические связи, а значит, воздействуя локально на них, мы можем менять структуру вещества", – объяснил профессор кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ Иван Бобринецкий.

Используя нелинейные оптические эффекты, можно сфокусировать лазер в пятно размером намного меньше длины волны света, вплоть до десятков нанометров, рассказали ученые. Это позволит полностью избежать «нецелевого» нагрева материала и превратит ЛСИ в своего рода сварочный аппарат, химически трансформирующий материал на атомарном уровне. Данный эффект был открыт в 2015 году на нанотрубках финскими учеными, а уже спустя полгода группа ученых МИЭТ продемонстрировала его при обработке графена.

Нанотехника прочнее стали

Графен – самый прочный из известных материалов, прочнее стали и алмаза. Он обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, на 97 процентов прозрачный, так как представляет собой одноатомный слой углерода. Эти и другие его уникальные свойства, однако, могут сильно пострадать при обработке традиционными методами, рассказали ученые МИЭТ.

Особенно востребован графен при разработке новой микроэлектроники, в том числе основанной на биологических принципах. При создании транзисторов традиционными методами, ориентированными на кремниевые материалы, свойства графена сильно падают.

Трансформация материи. Ученые рассказали о технологии атомарной "сварки"

1 из 2Научный коллектив в лаборатории кафедры квантовой физики и наноэлектроники (КФН) НИУ МИЭТ

Трансформация материи. Ученые рассказали о технологии атомарной "сварки"

2 из 2Научный коллектив в лаборатории кафедры квантовой физики и наноэлектроники (КФН) НИУ МИЭТ1 из 2Научный коллектив в лаборатории кафедры квантовой физики и наноэлектроники (КФН) НИУ МИЭТ2 из 2Научный коллектив в лаборатории кафедры квантовой физики и наноэлектроники (КФН) НИУ МИЭТ

Сотрудники МИЭТ предложили использовать сверхкороткие лазерные импульсы длительностью десятки и сотни фемтосекунд для создания электронных устройств на основе графена и родственных ему материалов.

«Наша цель – уйти от так называемых «мокрых технологий», использующих обработку кислотами и другими жидкостями, к полностью оптическим методам локальной обработки материалов. Данную технологию можно сравнить с аддитивными технологиями на основе 3D-печати, только вместо пластика мы «пришиваем» лазером одиночные молекулы или перестраиваем кристаллическую решетку», – рассказал профессор кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ Иван Бобринецкий.

Такой подход может стать основной технологией нанофотоники нового поколения, уверены ученые. Он позволит за счет «пришивки» отдельных молекул (включая биологические, такие как белки) и формирования фоточувствительного перехода производить наноприемники единичных фотонов и другие электрооптические приемо-передающие устройства.

Трансформация материи. Ученые рассказали о технологии атомарной "сварки"

Источник ria.ru