Когда толщина — в атом

Тонкие пленки могут заменить в электрических приборах почти любые детали, по которым проходит ток — провода, сопротивления, конденсаторы, полупроводники и диэлектрики. На пленках «построены» интегральные схемы. Они работают в «карманных» счетно-вычислительных машинах, которые серийно выпускаются некоторыми странами. А вообще из этих крошечных, почти невесомых «деталей» можно создать практически любой электронный прибор.

В лаборатории можно увидеть удивительные вещи. Например, плоскую коробочку размерами со спичечную. Это радиоприемник на тонких пленках. Транзистор такого же класса был бы размерами с «ВЭФ-202». Так что пленки ни в чем не уступают «традиционным» деталям радио- и электронной техники, хотя неизмеримо проще по конструкции и дешевле в изготовлении.

Они самые разные, эти пленки — красные, синие, золотистые покрытия на круглых или квадратных подложках. И любой сотрудник лаборатории в разговоре о них непременно подчеркнет одно из главнейших их свойств — надежность. Действительно, пленки не перегорают и ломаться в них практически нечему. Как говорится, более простого устройства и не придумаешь.

Но хотя на нынешнем уровне техники получение тонких пленок и считается относительно простым процессом, аппаратура для этого поражает своей внушительностью и сложностью. Все помещения лаборатории буквально «набиты» самыми современными и мощными физическими инструментами — электронно-лучевыми и ионными пушками, плазменными установками, мощными соленоидами. Их назначение — испарить материал, раздробить его на атомы, которые затем сконденсируются на подложке. Операция происходит в глубочайшем вакууме, сравнимом с космическим, чтобы никакие «посторонние» атомы не примешались к атомам исходного материала. И все это считается простым процессом? Представьте себе — да. В этом нет парадокса. Ибо такая простота — следствие колоссальных завоеваний современной науки, умения управлять сложнейшими физическими процессами на атомарном уровне.

Сотрудники лаборатории сумели заснять процесс образования тонких пленок кинокамерой через электронный микроскоп. Разумеется, и при таком увеличении нельзя различить отдельные атомы, начинающие образовывать слой. Но тем не менее картина, развертывающаяся на экране, позволяет зримо представить, что происходит «в глубине» вещества. В поле микроскопа — крошечный участок подложки. Сначала ничего не видно, но процесс уже идет: атом за атомом осаживается распыленный «пушками» металл на подложку, возникают крошечные зародыши пленки. Затем зародыши растут, объединяются, и это уже можно наблюдать. Зародыши «бегают» по подложке, как капли воды на раскаленной сковородке. Потом постепенно сливаются, и вот уже исчезают последние свободные участки подложки.

Я не случайно привел в сравнение капли воды на сковородке. Дело в том, что подложка имеет различную температуру — свою для каждого вида покрытия. Но существует общий закон: чем выше температура подложки, тем лучше прилипает к ней покрытие и тем совершеннее структура самой пленки. И наоборот, чем холоднее подложка, тем больше дефектов в структуре пленки. Нарушается порядок расположения атомов в кристаллах, и пленка теряет многие из своих ценных качеств. Так, значит, подложку надо всегда нагревать перед нанесением пленки? Отнюдь нет, иногда ее охлаждают, причем до весьма низкой температуры.

Но ведь тогда структура совсем разрушится? Совершенно верно. И вот тут-то происходит удивительная вещь: недостаток переходит в достоинство. Обнаруживается энная природа металла: пленка приобретает новые качества. Так, пленки некоторых металлов при полностью разрушенной кристаллической решетке (с так называемой аморфной структурой) сильно повышают свою радиационную стойкость. Нетрудно понять, какая это драгоценная находка для космонавтики или атомной энергетики, где как раз требуются материалы с антирадиационными свойствами. Но этого мало. Аморфные пленки бария, стронция, кальция, магния обнаруживают при низких температурах сверхпроводимость, в то время как в массивном кристаллическом состоянии эти металлы сверхпроводимостью не обладают. Для получения этих пленок в лаборатории сконструирована сверхвысоковакуумная установка. Вещество испаряют электронно-лучевой пушкой и осаживают на подложку, охлажденную до температуры жидкого гелия. Однако для получения «чистой» аморфной структуры этого недостаточно, и во время процесса металл подвергают воздействию сильных магнитных полей с помощью сверхпроводящего соленоида. На этой установке ученые выявляют новые закономерности сверхпроводимости.