Когда толщина — в атом

Тот, кто подошел бы 16 июля 1974 года в два часа дня к дверям лаборатории пленочных материалов Института металлургии Академии наук СССР, был бы, несомненно, заинтригован: из лаборатории раздавались взрывы смеха и азартные выкрики, явно неуместные в разгар рабочего дня. А вошедший в лабораторию увидел бы картину еще более удивительную. По полу, бодро жужжа электрическим моторчиком, ползал игрушечный танк. Вокруг него со смехом и возгласами толпились научные работники всех рангов — от лаборанта до доктора наук. Причем заведующий лабораторией профессор К. А. Осипов был главным действующим лицом: в руке он держал электрический фонарик, поминутно включая и выключая его. И когда луч света падал на корму танка, моторчик начинал работать. Выключался фонарик — и танк останавливался.

Посетитель, знакомый с основами физики, сразу бы подумал, что на игрушке укреплен фотоэлемент, который и пропускает ток к моторчику, как только на него падает свет.

— Нет,— объяснили бы ему.— Фотоэлемент — это слишком просто. Да и несолидно: подобные фокусы с фотоэлементом знали еще в прошлом веке. У нас совсем другое. Вот посмотрите...

И показали бы наклеенный на корму танка крошечный кусочек какого-то отполированного до зеркального блеска материала. Это была так называемая тонкая пленка, площадью всего в один квадратный миллиметр. Но, несмотря на столь мизерные размеры, она служила отличным регулятором, пропуская при освещении ток от батарейки к моторчику.

...У металлов, раскатанных до исчезающе малой толщины, удивительная и вместе с тем традиционная судьба — судьба изобретений, долгое время находившихся «вне интересов» промышленности, но наконец-то дождавшихся своего часа. Впервые изделия, приближающиеся по толщине к пленке, изготовили в одной американской лаборатории в 1895 году. Получили пластинку золота настолько тонкую, что через нее на просвет можно было разглядеть книжный текст. И еще много десятилетий спустя школьные учебники физики приводили эту пластинку как пример изменения свойств материала в зависимости от изменения габаритов. А изменилось-то всего одно, причем далеко не главное свойство — прозрачность.

По сравнению с нынешними тонкими пленками та золотая пластинка — монолит. И сейчас она относилась бы не к пленкам, а к фольге. Теперь физики считают тонкими пленками такие, толщина которых мало отличается от длины свободного пробега электронов. А у металлов длина свободного пробега электронов 400—1000 ангстрем (один ангстрем равен стомиллионной доле сантиметра). Иными словами, толщина тонкой пленки равняется примерно расстоянию между двумя атомами.

Что же такое тонкая пленка? Это тончайший слой металла, нанесенный на специальную твердую подложку. Чтобы получилась такая пленка, металл испаряют, а затем он конденсируется на подложке, как дыхание на зеркале. И слой этот так же эфемерен, как сконденсировавшееся дыхание. Чтобы пленки достигли толщины папиросной бумаги, понадобилось бы уложить друг на друга не один десяток слоев. Поэтому они и могут существовать только на подложке: никаких внутренних сил сцепления не хватит, чтобы удержать атомы в таком «плоскостном» расположении без «посторонней поддержки». Подложки могут быть самыми разными — полупроводниковые (кремниевые, германиевые), диэлектрические (стекло, окись алюминия или кремния), а также менее употребляемые металлические.

Тонкими пленками занимаются много лет. Еще в 30-х годах советские ученые внесли большой вклад в познание механизма их образования. Но это был, так сказать, чисто научный интерес. В то время едва ли кто мог предугадать практические возможности применения тонких пленок. Эти возможности стали вырисовываться лет 10—15 назад, и тогда тонкие пленки привлекли к себе пристальное внимание ученых всего мира. Сейчас количество научных публикаций, описывающих свойства и технологию получения пленок, выражается уже трехзначным числом. В некоторых странах издаются специальные журналы по тонким пленкам.

Такой повышенный интерес обусловлен исключительными свойствами металлов, толщина которых мало отличается от диаметра атома: в них проявляется целый ряд физических эффектов, которые не могут быть получены в тех же металлах, но взятых в массивном состоянии. И именно в этих эффектах крайне нуждаются такие, например, отрасли промышленности, как микроэлектроника и счетно-решающая техника.

Возьмем для примера пленку висмута и отобразим ее свойства графически, в системе координат. На оси ординат будем откладывать изменения толщины, а на оси абсцисс — электросопротивление. Естественно было бы ожидать, что электросопротивление будет в линейной зависимости от толщины пленки, как это происходит у висмутовой проволоки. Не тут-то было. Оно меняется по синусоиде — то взлетает к максимуму, то падает чуть ли не до нуля. Так же и температуры плавления тонких пленок из многих металлов. Они могут быть на 100—200 градусов ниже, чем температуры плавления тех же материалов в монолитном состоянии. Мы как бы открываем вторую природу вещей: достаточно довести металл до толщины, сравнимой с диаметром атома, как он делается «не похожим на себя», приобретает совершенно новые свойства. Впрочем, «вторая природа» — это не совсем верно. Новые свойства варьируются в зависимости от условий получения пленок — одни появляются, другие пропадают. Так что можно говорить и о третьей, и о четвертой, и вообще об энной природе. А вернее всего, сказать, что мы просто начали практически использовать неисчерпаемость природы. Это разнообразие свойств пленок и обусловило их широкое применение. Образно говоря, они сочетают в себе качества самых разнообразных материалов.