Интервью с Иваном Камилевичем Гайнуллиным
Расскажите о вашей научной деятельности
Одним из традиционных направлений исследований на кафедре физической электроники является изучение взаимодействия ионных пучков с поверхностью. Наука о взаимодействии ионных пучков с поверхностью возникла около 60 лет назад. Ионные пучки используются в самых различных областях: например, для лечения онкологических заболеваний или прецизионной обработки поверхности с нанометровой точностью. Из интересных примеров, на моей родной кафедре физической электроники была разработана методика восстановления уничтоженных маркировочных обозначений на металлических поверхностях. Взаимодействие ионов с поверхностью изучается во всем мире. Отечественные ученые, включая сотрудников МГУ, внесли весомый вклад в развитие данной области науки. Одна из основоположниц нашего направления на кафедре физической электроники — Юрасова Вера Евгеньевна. У нее много учеников, которые продолжают исследования по теме. Вера Евгеньевна — одна из главных организаторов международной конференции по взаимодействию ионов с поверхностью.
Непосредственно моя специализация связана с зарядовым обменом между ионными пучками и поверхностью. Я ученик профессора Уразгильдина Ильдара Фоатовича. Именно под его руководством я начал заниматься данной тематикой.
Чем именно вы занимаетесь?
За последнее время основным результатом работы была разработка трехмерного подхода к расчету электронного обмена ионов с поверхностью. На основании данного материала подготовлена докторская диссертация «Трехмерный неадиабатический подход к расчетно-теоретическому описанию электронного обмена ионных пучков с металлическими поверхностями».
Примечание: 15 июня 2023 Иван Камилевич успешно защитил докторскую диссертацию. Поздравляем!
Электронный обмен между ионами и поверхностью важен для создания источников отрицательных ионов и диагностики поверхности методом рассеяния медленных ионов (РМИ). Причем РМИ — единственный метод, позволяющий измерять элементный состав самого верхнего слоя поверхности. Игнорирование или неправильный учет электронного обмена приводят к кратным ошибкам. В силу численной сложности для моделирования зарядового обмена ранее применялись адиабатические (двумерные) подходы, не учитывающие неоднородность, атомную и электронную структуру поверхности, что могло приводить к кратным ошибкам.
Физическая модель, задающая участок траектории, на котором проводится моделирование электронного обмена, была усовершенствована за счет учета неоднородного рельефа поверхности и направления скорости иона в трехмерном пространстве.
Была построена физическая методика трехмерного моделирования электронного обмена между атомными частицами и металлическими поверхностями, которая за счет применения теории функционала плотности и трехмерных вычислений позволяет изучать динамику электронного перехода без применения адиабатического приближения, с детализацией на атомном уровне и учетом неоднородности поверхности.
Был создан комплекс программ для моделирования электронного обмена. Его производительность и масштабируемость в несколько раз превышают существующие аналоги, что позволило впервые реализовать трехмерное моделирование электронного обмена в большой расчетной области (до 105 нм3).
Разработанный трехмерный неадиабатический подход к расчетно-теоретическому описанию электронного обмена объясняет широкий спектр экспериментальных данных с точностью ~10%, что в несколько раз улучшает точность расчетов по сравнению ранее применяемыми подходами.
Зачем нужно изучать зарядовый обмен?
На практике электронный обмен важен для диагностики поверхности и создания источников отрицательных ионов. Здесь уместно процитировать учебное пособие «Введение в физику поверхности»: «Следует отметить, что несмотря на то, что основные механизмы электронного обмена известны, на текущий момент не существует универсального способа определения вероятности электронного обмена для проведения количественного анализа с помощью рассеяния медленных ионов».
Актуальность получения интенсивных отрицательных пучков в интересах термоядерного синтеза обусловлена тем, что для нагрева плазмы в токамаках до температуры горения предполагается применять ускоренные до кинетической энергии ~1 МэВ нейтральные атомы водорода/дейтерия. Из-за высокого сечения нейтрализации, для этого подходят именно отрицательные, а не положительные ионы.
Создание источников положительных ионов – хорошо изученная область, но положительные ионы хуже нейтрализуются, особенно на больших скоростях. Здесь можно провести аналогию: представим, что летящий самолет является аналогом атома, а его пассажиры — аналогом электронов. Чтобы нейтрализовать отрицательный ион, надо, чтобы человек выпрыгнул из самолета (с парашютом) — это относительно просто. Для нейтрализации же положительного иона нужно человека посадить в летящий самолет, что заметно сложнее. Это обуславливает актуальность создания источников отрицательных ионов. На эту тему у нас есть совместные статьи с Дудниковым Вадимом Георгиевичем — известным ученым в этой области.
На следующем рисунке показана общая иллюстрация диагностики поверхности с помощью ионных пучков. Из ионной пушки на поверхность падает пучок, т.е. поток ионов, которые могут отразится от атомов поверхности, т.е. рассеяться, или наоборот выбить, т.е. распылить один или несколько атомов с поверхности. Первичной информацией о поверхности, получаемой в эксперименте, являются спектры рассеянных или распыленных частиц. Справа показан так называемый угловой спектр, т.е. распределение ионов по углам вылета при фиксированной энергии пучка.
Зная угол и энергию рассеяния первичного иона, из законов сохранения импульса и энергии можно однозначно определить массу рассеивающей частицы. Справа показан энергоспектр рассеянных ионов, в котором четко видны пики рассеяния от определенных типов атомов, присутствующих на поверхности. Но для количественной диагностики, т.е. определения относительных концентраций элементов, требуется знать сечение рассеяния и вероятность нейтрализации.
В вашей задаче много программирования. Использовали ли вы какие-то необычные методы?
Для того, чтобы реализовать численный метод, мы использовали графические вычислители. Это относительно новая область — графическим расчетам всего лет 15-20.
Если традиционный процессор (CPU) является универсальным инструментом для проведения вычислений и выполнения логических функций, то у видеокарт другая цель, они обрабатывают текстуры, прорисовывают фон. По сути, они делают относительно простые математические операции, но для большого количества точек. Из этих преподсылок и выросли специализированные графические вычислители. У них есть определенные преимущества — например, стоимость расчета на них в разы меньше. По маркетинговым материалам выигрыш должен быть в 10 раз, мой опыт показывает, что примерно в 6 раз.
Трехмерная методика моделирования во многом стала возможной благодаря использованию графических процессоров — применению масштабных параллельных вычислений. Это особенно важно для моделирования больших областей.
Можете показать результаты применения вашего метода?
Следующие анимации иллюстрирует эволюцию электронной плотности при переходе электрона с отрицательного иона водорода на поверхность Cu(110). Обе анимации визуализируют один численный эксперимент, но сняты с разных углов. Ион подлетает к поверхности под углом 45о и отлетает после зеркального отражения. На анимации видна детализация поверхности на атомном уровне. Был обнаружен важный эффект — анизотропия распространения электрона вдоль поверхности Cu(110). На рисунке видно, что скорость распространения электрона вдоль направления примерно в два раза выше, чем в перпендикулярном направлении. Анизотропия распространения электрона является чисто трехмерным эффектом, который принципиально не мог быть получен в рамках двумерного рассмотрения. Он играет ключевую роль при объяснении азимутальной зависимости электронного обмена.
Следующая анимация демонстрирует эволюцию электронной плотности при переходе заряда с отрицательного иона водорода на тонкую островковую пленку Al. Можно сказать, что активный электрон последовательно заполняет собственное дискретное состояние в пленке. Вначале проявляются максимумы в направлении нормали к поверхности, затем в параллельном поверхности направлении. В левой части отображена проекция электронного тока на поверхность. Видно, что в определенные моменты времени образуются вихревые структуры. Так называемые квантовые вихри представляют существенный интерес для фундаментальной науки.
Был также рассмотрен электронный обмен при скользящем рассеянии ионов. На следующем рисунке показаны эксперименты 2000 года, в которых изучалась зависимость электронного обмена от азимутального направления падения пучка при скользящем рассеянии. Видно, что для Cu(110) вероятность перезарядки варьируется в два раза, но существующая теория не может объяснить столь существенные различия. Поэтому физическая модель пересекающихся сфер Ферми была доработана диссертантом. Из-за анизотропии распространения, распределение активного электрона в k-пространстве имеет вид эллипсоида, а не сферы. В силу геометрических закономерностей, функция пересечения эллипсоида и сферы от величины параллельной скорости будет зависеть не только от модуля скорости, но и от азимутального направления пучка. Таким образом, впервые была объяснена зависимость электронного обмена от азимутального направления пучка.
Теперь к более общим вопросам — расскажите, какие дальнейшие перспективы в вашей лаборатории?
То, что я вам рассказывал до этого — традиционная тематика нашей группы. По данной тематике мы сотрудничаем с ведущими отечественными и международными учеными. Публикуем наши результаты в таких журналах как УФН и Physical Review. Но изучение электронного обмена достаточно узкоспециализированная тема, которой занимаются 10-15 научных групп во всем мире.
Поэтому мы стараемся расширить нашу специализацию в сторону более практического применения, а именно моделирования процессов изготовления и функционирования электронно-компонентной базы.
При разработке новых интегральных схем, существенная часть затрат приходится на создание шаблонов/масок для печати новой схемы. При этом если при проектировании были допущены ошибки, то процесс уходит на новую итерацию. Поэтому компьютерное проектирование может значительно сократить затраты на разработку.
В нашей группе была разработана программа для моделирования физических процессов и характеристик полупроводниковых приборов (транзисторов).
На следующих рисунках проиллюстрировано моделирование электрофизических характеристик полевого транзистора с помощью диффузионно-дрейфовой модели. На первом рисунке приведена геометрическая структура транзистора. На втором рисунке видно, что при нулевом напряжении на затворе, канал между истоком и стоком закрыт, а ток практически отсутствует. При увеличении напряжения на затворе увеличивается концентрация носителей заряда между истоком и стоком, т.е. канал открывается, что приводит к росту тока (рисунок 3). Наконец, на последнем рисунке показано семейство выходных характеристик транзистора, которое на качественном уровне соответствует ожидаемым результатам.
При размерах порядка десятков нанометров значимую роль начинают играть квантовые эффекты. Электронный транспорт в этом случае имеет баллистический характер и моделируется методом неравновесных функций Грина. Нами был разработан программный код, позволяющий учитывать атомную структуру полупроводника. Проводящий кристалл кремния описывается псевдопотенциалом, полученным с помощью теории функционала плотности. Было проведено две серии расчетов. В обеих сериях вычислялась величина тока между истоком и стоком, как функция напряжения на затворе. В первом случае расчеты проводились для кристалла кремния с идеальной структурой, а во втором в середине канала искусственным образом была удалена часть атомов кремния (они показаны красным). Из рисунка видно, что ВАХ нанотранзистора с идеальной и дефектной кристаллической структурой существенно отличаются друг от друга. Даже удаление относительно небольшого числа атомов ведет к существенной деградации ВАХ. Это объясняется тем, что при удалении атомов полностью или частично блокируются некоторые каналы проводимости. Таким образом показано, что наличие дефектов в атомной структуре может приводить к деградации характеристик полупроводниковых приборов. На качественном уровне это согласуется с экспериментальными данными.
Что нужно знать, чтобы работать в лаборатории?
Есть определенные критерии. Первый — это оценки по основным предметам не ниже 4, в нашей работе требуется хорошее знание математики. Второй — общая компьютерная грамотность, знание С/С++, желательно MatLab и Linux.
Дальше студент пройдет курс молодого бойца, в котором в течение одного семестра получит базовые навыки по параллельному программированию.
Насколько активная жизнь у вас в лаборатории?
Базовый ритм работы в нашей лаборатории это еженедельные рабочие встречи со студентами. Учитывая нашу расчетно-теоретическую специфику, в промежутке между рабочими встречами студенты могут работать удаленно, подключаясь к нашему расчетному серверу с помощью VPN.
Студенты и аспиранты играют важную роль в проведении научных исследований. К окончанию учебы они, как правило, имеют по несколько публикаций и хороший научный багаж. Например, наша аспирантка Юлия Мелкозерова, в прошом году заняла призовое место на конкурсе научных студенческих работ имени академика Р.В. Хохлова.
Есть ли у вас статистика или общее понимание, чем можно заниматься после вашей лаборатории, если не наукой?
Насколько я знаю, не более 10-20% выпускников факультета остаются работать непосредственно в науке. При этом ФизФак — это структура с мощной образовательной базой, которая дает прочный фундамент во многих отраслях. Здесь важную роль играет подход к образованию как к замкнутой системе знаний — после нее человек может уверенно себя чувствовать и в банковской сфере, и в программировании, и в бизнесе. Не думаю, что наша лаборатория сильно отличается от общей физфаковской по статистике.
Если студенту интересно поработать в лаборатории, как ему с вами связаться?
На сайте есть адрес электронной почты Ivan.Gainullin@physics.msu.ru — пишите и оставляйте телефон для связи.