Здравствуйте, дорогие читатели Хабра! Меня зовут Владимир, я кандидат химических наук. И сегодня мы поговорим про нано-1D-вещества (или одномерные образования и квазиодномерные элементы). Количество публикаций в этой области удваивается примерно каждые два года. Специфическая анизотропная форма с очень большим характеристическим отношением длина/диаметр, высокое структурное совершенство и практически идеальная поверхность ННК придает им целый ряд уникальных физических свойств. Бум исследовательского интереса к ННК полупроводникам связан с перспективами создания на их основе бездислокационных ненапряженных гетероструктур, которые могут быть использованы в различных приборных приложениях.

Что это такое

В англоязычной профессиональной литературе по электронике помимо whisker и whiskers (усоподобный торчащий массив однородных вещественных элементов) ещё используют слово nanowire. Последние имеют двусмысленность, даже трёх-смысленность: «одномерочка», «нанопроволока», «нанопроволочка» или «нанопровод», также «наностерженёк» применяются к объектам как вертикальным щетиноподобным, так и планарным (стелящимся по поверхности материнской подложки), в некоторых случаях и клубкообразным моткам неорганических волокон, иногда – прорастанием «усов» в некоей матрице (например, полезный германий в пористом кремнии; вредные усики лития в литий-ионных аккумуляторах, приводящие к электротехническому закорачиванию и возгоранию).

В российской электронике практически устоялось понятие «нитевидный нанокристалл» или ННК, а также нанопровод, наностержень. Также практикуется термин «бесподложечный массив ННК» в значении «массив, не имеющий подложки», а точнее: «массив, сформированный на подложке и отделенный от нее».

Нано-1D-вещества изготавливаются из различных материалов, включая полупроводники, например кремний, арсенид галлия, халькогениды свинца; металлы, такие как серебро, золото, платина, родий, иридий, осмий, рений; изолирующие оксиды, в частности диоксид кремния. Они подразделяются на категории в зависимости от состава материала: 

1) металлические, 

2) полупроводниковые,

3) изолирующие, 

4) композитные, 

5) полупроводники на квантовых точках. 

Основными компонентами нано-1D-веществ являются материал сердцевины, который определяет электрические, механические и тепловые их свойства, а иногда и материал оболочки, обеспечивающий дополнительные функциональные возможности. В частности, ННК находят широкое, нет, бурно расширяющееся применение в таких областях, как бытовая электроника, промышленная и приусадебная фотовольтаика, устройства хранении энергии, экологический мониторинг и даже медицина (био-датчики). ННК являются существенной частью при разработке инновационных транзисторов, супер-чувствительных химических датчиков и аккумуляторных батарей с высокой плотностью энергии. 

НИР в РФ 2014-2024

В единой информационной системе «Наука и инновации» в открытый доступ выложено более 100 документов за 2014-2024 гг. по словам нитевидные нанокристаллы электроника, нанопроволока электроника и нитевидные нанокристаллы полупроводники. Это отчёты по грантам, патенты, диссертации. На рис. 1 представлен рейтинг грантополучателей по количеству грантов.

Видно, что лидируют питерские научные структуры с лидерством Алфёровского Университета РАН. Далее идут провинциальные и московские вузы и институты РАН.

Суммы грантов в науке, как известно, лукавы, поскольку крупные гранты в большинстве случаев носят комплексных характер (до 20 позиций) и собственно ННК в них составляют проценты. Однако суммы характеризуют активность той или иной структуры в ННК. 

В частности, у коллектива Алфёровского Университета имеется хорошо налаженное сотрудничество с коллегами в России и за рубежом. В частности, многолетнее сотрудничество ведется с Институтом микроструктурной физики РАН (Нижний Новгород), совместно с которым выполняются гранты РНФ № 18-19-00493 и РФФИ 18-52-00011 Бел_а. Активное сотрудничество ведется с ВУЗами Санкт-Петербурга (СПбГУ, ИТМО, СПбПУ им Петра Великого и др.). Развивается сотрудничество с промышленными партнерами (Микрон, Коннектор Оптикс, ЗАО «научное и технологическое оборудование»), которые высказали заинтересованность в использовании полученных результатов.

Капитализация

Согласно маркетинговому исследованию Nanowires Market Report by Type (Metal Nanowires, Semiconductor Nanowires, Oxide Nanowires, Multi-Segment Nanowires, Semiconductor Quantum Wires), Application (Consumer Electronics, Chemical and Biological Sensors, Solar Cells, and Others), and Region 2024-2032 сформировались три основных сектора:

1. Бытовая электроника;

2. Химические и биологические сенсоры;

3. Солнечные элементы.

Глобальный рынок составил $ 404,5 млн в 2023 г. и, по прогнозу IMARC Group, достигнет $ 1721,7 млн в 2032 г., демонстрируя темп роста (CAGR) 17,46% в период 2024-2032 гг. 

Растущий спрос на миниатюризацию в электронике и автоматике является главным фактором. Широкое применение их для создания портативных устройств, таких как смартфоны и планшеты, дает конкурентное преимущество на рынке. Второе: растущее использование нанопроводов в автомобильной промышленности в связи с модным переходом к электромобилям (EV) и более интеллектуальным, более взаимосвязанным системам, требующим компактных и эффективных компонентов, является дополнительным драйвером рынка. Кроме того, растущая популярность нанопроводов из-за их использования в батареях с более высокой плотностью энергии и в датчиках, способных выдерживать суровые условия эксплуатации, педалирует интерес к ним.

По мнению аналитиков, в настоящее время лидируют металлические нанопроволоки, содержащих такие материалы, как золото, серебро и платина, поскольку они обладают высокой электропроводностью и химической стойкостью. Их используют в сенсорных экранах, гибких дисплеях и органических светодиодах (OLED). Кроме того, металлические нанопроволоки незаменимы при изготовлении высокоэффективных сенсоров, в том числе химических и биосенсоров. Прочные механические свойства металлических нанопроволок делают их пригодными для применения в нанокомпозитах, повышая структурную целостность и другие характеристики получаемых материалов. Кроме того, наблюдается применение металлических нанопроволок в технологиях накопления и преобразования энергии, таких как литий-ионные аккумуляторы и топливные элементы, где их проводящие свойства повышают эффективность и общую производительность этих устройств.

В аспекте коммерческого применения ННД передовые позиции в мире заняли компании: ACS Materials LLC (Пасадена, США), Alfa Chemistry (Нью-Йорк, США), American Elements (Лос-Анжелес, США), Innova Dynamics, NanoCompisix (Сан Франциско, США и Токио, Япония), NanoTechLabs (Ядкинвилл, США), Novarials (Бэдфорд, США), OneD BatterySciences (Пало-Алто, США).

Перспективы: опрос экспертов

Мною был проведен опрос ведущих специалистов о перспективах ННК:

Георгий Эрнстович Цырлин (зав. лаб. Эпитакиальных нанотехнологий, Академический университет) и Иван Сергеевич Мухин (зав. лаб. Возобновляемых источников энергии, Академический университет):

«В Академическом университете более 15 лет занимаются ведутся теоретические и фундаментальные исследования в области формирования и изучения свойств полупроводниковых нитевидных нанокристаллов, находящиеся на передовом мировом уровне. Ранее в СССР исследования в данном направлении, но на микроуровне, велись под руководство Гиваргизова Е.И. из Института кристаллографии АН СССР.

Основными направления исследований являются как основы синтеза нанокристаллов, так и изучения их транспортных, оптических, механических, структурных и морфологических свойств, так и их практическое применение: фотовольтаика, фотодетекторы, лазеры, источники одиночных фотонов, нанофотоника, оптические волноводы и фотонные интегральные схемы, транзисторы, газовые и биологические сенсоры, стрейнтроника и пьезодатчики, квантовые вычисления и защищенная передача данных. Металлические вискеры применяются для создания прозрачных проводящих покрытий. В целом, вискеры из различных материалов могут выступать ключевыми компонентами практически любых новых приборов, принцип действия которых основан на квантово-размерных эффектах.

В настоящий момент на мировом рынке представлены в основном иностранные компании, занимающиеся коммерциализация данных направлений, в РФ данный рынок только формируется. Исходя из мировой практики, коммерциализация приборных структур на основе вискеров обладает огромным потенциалом».

Доцент Высшей инженерно-физической школы Петербургского Политеха Максим Яковлевич Винниченко рассказал нам: 

«В Политехе мы исследуем оптические свойства структур с ННК, синтезированные в Алфёровском университете. Результатом совместных работ будет создание физических основ новых приемников инфракрасного излучения. По ряду физических свойств (подвижность электронов, ширина запрещенной зоны) арсенид индия превосходит иные материалы, поэтому данное соединение используется как основа исследуемых нами ННК. Добавление в это соединение определенной концентрации фосфора или азота позволяет плавно сдвигать длину волну чувствительности ННК в коротковолновую или длинноволновую часть спектра. Т.е. фотоприемник на основе твердых растворов InAsP и InAsN возможно достаточно точно подбирать под определенные длины волн ближнего и среднего инфракрасного диапазона, которые используются в медицине, промышленности, тепловизионной технике, анализе материалов и атмосферы».

Прохор Анатольевич Алексеев (с. н. с. лаб. Оптики поверхности, Физико-технический институт ФТИ им. Иоффе):

«В физико-техническом институте исследования ННК начались более 15 лет назад, в тесной кооперации с коллегами из Академического университета (Г.Э. Цырлин и И.С. Мухин). На данный момент в нашей лаборатории проводится широкий спектр исследований оптических, электронных и электромеханических свойств ННК, также в лаборатории квантовой фотоники ведётся синтез и исследования светоизлучающих нитридных структур. За прошедшее время в нашей лаборатории и в мире проделан большой путь в методах исследования и понимании физических явлений в одиночных ННК, что позволяет выделить несколько наиболее перспективных, на наш взгляд, направлений практического использования ННК. В первую очередь, это элементная база для фотоники, в качестве, как источников оптического излучения, так и пассивных элементов. По данному направлению уже созданы работающие прототипы, как в РФ, так и в мире. Также стоит выделить направления, использующие уникальные оптомеханические и электромеханические свойства ННК – стрейнтроника, пьезоэлектрические наногенераторы, сенсоры. В данной области представлены рабочие прототипы, демонстрирующие улучшенные характеристики, но производство пока не развёрнуто. Кроме того, хотелось бы прокомментировать перспективы ННК в качестве солнечных элементов и полевых транзисторов. На данный момент, несмотря на существенные затраченные ресурсы, ННК не смогли показать характеристики и себестоимость лучше промышленных образцов на основе других технологий и материалов».

Александра Фурасова, кандидат физико-математических наук, PhD, научный сотрудник физического факультета ИТМО:

«Нитевидные нанокристаллы (ННК) в основном представляют собой материалы группы A3B5 — у них высокий показатель преломления, что позволяет использовать ННК в качестве фотонных платформ с низкими потерями для управления волновым фронтом и усиления оптических нелинейностей. На данный момент есть несколько стартапов, которые проектируют металинзы на основе ННК, полученных с помощью метода MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition) и использующих различную толщину и высоту отдельных цилиндров. Среди перспективных направлений — разработка контактных линз с функцией ночного зрения и автоматического увеличения изображения от стартапа XPANCEO. Кроме того, другие метаповерхности ННК ввиду высокого показателя преломления света могут использоваться для многоцветной визуализации и  увеличения поля зрения. Также другой тип ННК в виде наноцилиндров TiO2 уже был использован в качестве инжекции зарядов в тонкопленочных солнечных элементах. В последнее время, помимо оптических применений обсуждается применимость ННК для регистрации когерентных акустических колебаний в одиночных A3B5  наноантеннах. Возможно, в ближайшем будущем развитие получат акустические микроантенны из упорядоченных массивов ННК».

Григорий Наумович Гольцман, доктор физико-математических наук, руководитель ООО «Сконтел» (Москва), профессор Московский институт электроники и математики имени А. Н. Тихонова НИУ «Высшая школа экономики»:

«Наша компания занимается исключительно сверхпроводниковыми нанопроводами. Область наших интересов — биосенсоры, визуализаторы ИК, квантовая криптография, оптические сенсоры, приёмники ИК излучения, терагерцовая электроника, уомплектующие для квантовых компьютеров. Мировой рынок сверхпроводниковых нанопроводов стремительно развивается и уже стал самостоятельной отраслью промышленности. На сегодняшний день в этой области работают шесть компаний, из которых пионером была компания «Сконтел», которая была мировым лидером в этой области на протяжении десяти лет. Позже подключились два американских игрока, два европейских и одна китайская компания. В настоящий момент в Китае сформировался заметный кластер производства сверхпроводниковых нанопроводов, который активно конкурирует на мировой арене. 

Сейчас рынок сверхпроводниковых нанопроводов, в частности систем детектирования, основанных на счётчиков фотонов, приближается по своему объему к миллиарду долларов в год.

В России развитие технологии сверхпроводниковых нанопроводов сталкивается с определёнными вызовами. Основной проблемой остаётся дефицит высокотехнологичного оборудования, необходимого для создания и анализа наноматериалов, таких как электронная литография. Российские научные учреждения и университеты ограничены в доступе к некоторым критически важным технологиям из-за международных санкций — к примеру, наша компания «Сконтел» адресно попала под американские санкции с характеристикой «компания, выпускающая продукцию, имеющую применение в квантовых вычислениях». Не в последнюю очередь из-за того, что «Сконтел» является единственным в мире производителем терагерцовых сверхпроводниковых детекторов. Это приводит к необходимости создания собственных разработок и импортозамещения в сфере микро- и нанотехнологий, что требует значительных инвестиций и времени. Разрыв в инвестициях между зарубежными проектами и отечественными весьма значительный и оказывает влияние на разницу в интенсивности развития Тем не менее, российские исследовательские центры и университеты обладают хорошей научной базой для работы с наноматериалами. Важным направлением является разработка новых типов сенсоров на основе сверхпроводниковых нанопроводов, которые могут быть использованы в квантовой связи и вычислениях. Дорожные карты, разработанные в России, предусматривают создание квантовых сенсоров для различных приложений, включая высокочувствительные детекторы и устройства квантового криптографического обмена. Сверхпроводниковые нанопровода могут существенно повысить точность и надёжность этих устройств, что делает их перспективным направлением исследований.

В России есть квалифицированные специалисты в области нанофизики и квантовых материалов, однако их количество остаётся недостаточным для стремительного развития этой области. Потребность в высококвалифицированных кадрах является критическим фактором для успешного освоения всей сферы ННК. В настоящий момент в России на государственном уровне решается вопрос по развитию образовательных программ в сфере квантовой инженерии. И можно надеяться, что эта инициатива окажется результативной.

В мировой практике развитие ННК включает междисциплинарные исследования, объединяющие физиков, химиков и инженеров. Ведущие университеты и исследовательские лаборатории создают консорциумы, в которых разрабатываются и тестируются новые наноматериалы для различных приложений, включая квантовую криптографию и высокочувствительные сенсоры. Такой подход может быть успешен и в России, но для этого необходимы кооперация между научными и промышленными центрами, а также создание мощной научной инфраструктуры».

Директор Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов д.ф.-м.н., член-корреспондент РАН Дмитрий Валентинович Рощупкин:

«Сегодня применение 1D кристаллов уже вышло за рами научных разработок и активно применяется в реальных устройствах. Но основное применение связано не с использованием nanowires из Si и GaN, а с использованием наностержней широкозонных полупроводников ZnO и AlN, которые уже более 10-лет используются как материалы для пьезогенераторов и солнечной энергетики. Для возобновляемых источников энергии на базе пьезогенераторов используются массивы наностержней. Уже на окнах скоростных поездов и автотранспорте в странах Юго-восточной Азии устанавливают панели с наностержнями ZnO, которые генерируют энергию за счет прямого пьезоэлектрического эффекта в процессе движения транспорта. Также используют массивы наностержней на поверхности каптона (гибкие полиимидные мембраны), которые вшиваются в одежде человека и которые вырабатывают энергию в процессе движения человека. Что касается солнечной энергетики, то в Южной Корее есть красивые примеры, когда в вакуумных зазорах стеклопакетов на стеклянной поверхности формируют массивы наностержней, которые в дневное время генерируют электроэнергию, а в вечернее и ночное время массивы наностержней работают в обратную сторону и отдают энергию уже в виде света. Также следуют отметить и широкое применение наостержней в сенсорных устройствах (резистивные датчики и активные резонансные акустические датчики), чувствительных к солнечному свету, влажности, наличию повышенной концентрации CO и CO2 и т.д. и т.п. Об этом надо говорить серьезно и начать использовать в стране. Но пока, к сожалению не видно готовности к использованию данных подход для решения задач в области энергетики. Хотя данные подходы уже активно обсуждались в 80-ые годы прошлого столетия. В 81-м году читал о таких возможностях в области энергетики в журнале «Курьер ЮНЕСКО». Ниже на рисунке представлена фотография массива наностержней, синтезированных методом CVD. Простая и эффективная технология, которая легко масштабируется. Но когда мы сможем это все реализовать в Российской Федерации не понятно».