Кафедре физической электроники 85 лет

Декан физического факультета, профессор Н.Н. Сысоев поздравляет сотрудников и бывших выпускников кафедры с Юбилеем. 22 декабря 2016 года

В декабре 2016 года исполнилось 85 лет со дня создания кафедры физической электроники. Наша кафедра, которая до 1990 г. называлась просто кафедрой электроники, образовалась в 1932 г. на базе лаборатории электрических явлений в газах при Институте физики Московского университета. Научной основой, на которой выросла кафедра, были классические работы выдающихся профессоров Московского университета — А.Г. Столетова по фотоэффекту, П.Н. Лебедева по электромагнитным колебаниям и волнам и С.А. Богуславского по кинетике электронов в электрических и магнитных полях. Первым заведующим кафедрой и ее основателем был профессор Николай Александрович Капцов.

В лаборатории Н.А. Капцова начинали свою научную деятельность (выполняли дипломные работы) Г.В. Спивак, Э.М. Рейхрудель и С.Д. Гвоздовер, который в сентябре 1946 года стал первым заведующим отделением радиофизики и электроники.

Одним из основных научных и учебных направлений кафедры с момента ее образования было изучение электрических явлений в газах и в вакууме, связанных с формированием и поддержанием различных форм газовых разрядов. Первые систематические исследования в области физики газового разряда были проведены Н.А. Капцовым. В них изучались процессы формирования электронных лавин, процессов на катоде и связанные с ними явления пробоя разрядного промежутка, становление его электропроводности и возникновение переходных форм разряда.

В это время молодые Г.В. Спивак, Э.М. Рейхрудель, А.А. Зайцев и другие сотрудники лаборатории изучали влияние на разряд стационарных магнитных полей, искусственного подогрева и поверхностного фотоэффекта, возбужденных и метастабильных атомов, и было обнаружено их влияние на режим работы катодных частей разряда.

Г.В. Спиваком с соавторами разработал двухстадийную модель формирования плазменного канала при пробое в длинных трубках при низком давлении газа.

Создатель кафедры и ее первый заведующий (1931–1966 гг.) Н.А. Капцов

На первой стадии формировался сфокусированный пространственным зарядом и за рядом на стенках трубки электронный пучок, а на второй направленное движение электронов переходило в хаотическое. Последующие эксперименты авторов этой работы, а также Э.М. Рейхруделя и Т.А. Титовой подтвердили этот механизм. Возможность фокусировки электронных потоков в стадии пробоя газа при высоких импульсных напряжениях и использование этого явления для создания мощных источников рентгеновского излучения были обоснованы в работах Э.М. Рейхруделя с сотрудниками. Была начата разработка основ зондовой диагностики магнитоактивной плазмы.

Во время войны кафедра была эвакуирована вначале в Ашхабад, а затем в Свердловск. В 1942 г. профессор Н.А. Капцов и группа сотрудников физического факультета были вызваны в Москву для выполнения правительственных заданий, связанных с развитием военной техники. В Ашхабаде под руководством Э.М. Рейхруделя были созданы стеклодувные мастерские по изготовлению стеклянных изделий для нужд госпиталей и оборонных предприятий городов Средней Азии. В Свердловске под руководством Г.В. Спивака и Э.М. Рейхруделя создан цех по регенерации электрических ламп накаливания, вошедший в систему Уралмаша.

В послевоенные годы Э.М. Рейхрудель с сотрудниками (А.В. Чернецкий, В.В. Михневич, Т.И. Иванова, И.А. Васильева) продолжили исследования разрядов типа Пеннинга (разряд между двумя катодами в газе низкого давления во внешнем магнитном поле). Они показали, что такой разряд с осциллирующими электронами может служить эффективным источником ионов с холодными катодами. Позднее Г.В. Смирницкая обнаружила интенсивное поглощение газа в этом разряде продуктами ионного распыления катодов. В 1954 г. они использовали это явление для создания эффективных ионных насосов. Эта работа была впоследствии отмечена Госпремией СССР. В связи с быстрым развитием электротехнических источников высокого напряжения и созданием радиопередающих устройств стало необходимым изучение новых видов газового разряда — высокочастотной короны и факела, возникающих на высоковольтных элементах. На кафедре под руководством П.А. Петрова была создана экспериментальная база для получения и диагностики высокочастотных разрядов. Изучение факельного разряда, возникающего, как и коронный разряд, в неоднородном разрядном промежутке, позволило определить границы его существования при изменении давления газа, условия перехода к дуговому разряду. Были измерены высокочастотные разрядные токи, мощность, температура газа в его различных частях (Г.С. Солнцев, М.З. Хохлов). Детальное изучение перехода от коронного к факельному разряду привело к принципиально новому представлению о механизме развития высокочастотной короны. Было показано, что в высокочастотной короне наряду с лавинами электронов возникают стримеры, если активная длительность полупериода напряжения (часть полупериода с амплитудой выше потенциала погасания разряда) достаточна для развития стримера. Для факельного разряда характерно постепенное лавинообразное создание плазмы в течение многих периодов поля (А.А. Кузовников).

Понимая важность изучения процессов взаимодействия плазмы с электродами и стенками разрядных устройств, Григорий Вениаминович исследует процессы обмена энергией между молекулами и стенкой, а в послевоенные годы приступает к разработке электронных микроскопов. Для решения этой задачи в 1947 году создается новая кафедра электронной оптики и осциллографии. В 1949–1952 гг. были разработаны электронно-оптические системы, позволяющие получать изображения объектов при атмосферном давлении, а также в условиях газового разряда высокого и низкого давлений.

В начале пятидесятых годов велась активная подготовка к переезду факультета в новое здание на Ленинских горах. Н.А. Капцов и П.А. Петров проводили большую работу по оснащению кафедры современным оборудованием и обеспечению соответствующими помещениями. Немногим, вероятно, известно, что здание, которое сейчас занимает Научно–исследовательский вычислительный центр МГУ, было построено специально для кафедры электроники, и там предполагалось размещение мощных генераторов высокой частоты и соответствующих систем управления и диагностики.

Ко времени переезда на Ленинские горы на кафедре сложилась и система лекционных спецкурсов, основой которой служил годовой курс «Электроника», читавшийся для студентов радиофизического отделения. Н.А. Капцов написал прекрасное учебное пособие по этому курсу «Электроника» (изд.1953, 1954, 1956 гг.). Позднее вышла «Радиофизическая электроника» (1960 г.), написанная под его редакцией коллективом авторов. До появления этих пособий огромной популярностью как среди аспирантов и студентов, так и среди широкой научной общественности пользовалась монография Н.А. Капцова «Электрические явления в газах и вакууме» (1947, 1950 гг.). Были так же созданы специальные физические практикумы по газовой электронике и по электронной оптике и микроскопии. Созданная Г.В. Спиваком кафедра электронной оптики и осциллографии после переезда на Ленинские Горы вошла в состав кафедры электроники.

Профессор Г.В. Спивак — заведующий кафедрой электроники с 1966 по 1985 гг.

Два направления исследований, выделившиеся в это время в качестве приоритетных — фи зика плазмы и газовых разрядов и твердотельная электроника не потеряли своей актуальности и успешно развиваются на кафедре и по сей день под руководством наследовавших Н.А. Капцову (1931–1966) и Г.В. Спиваку (1966–1985 гг.) заведующих кафедрой В.И. Петрова (1985), А.Ф. Александрова (1986–2015), В.С. Черныша (с 2016 года по нестоящее время).

Президент Всемирной Ассоциации электронной микроскопии, родона-чальник рентгеновского микроанализа профессор Кастен P. (Castaing R.) — гость кафедры, 1978 г. (Лукьянов А.Е., Петров В.И., Кастен Р., Спивак А.Е., Дубинина Е.М., Pay Э.И.)

Исследования по физике плазмы и газового разряда

Исследования в области физики и газового разряда, проводившиеся на кафедре, можно разделить на две группы. Во-первых, это работы, направленные на решение важных народнохозяйственных задач, сопровождавшиеся конструированием и введением в строй крупных экспериментальных стендов («Фотон», СВЧ стенд для исследования разряда в атмосфере, ускоритель электронов «Тандем» для генерации мощных импульсов СВЧ). Во-вторых, исследования задач классических областей физики плазмы и газового разряда, проводимых на небольших экспериментальных установках, но, тем не менее, позволившие приобрести необходимый опыт сотрудникам и студентам кафедры, разработать методы диагностики для тех же крупных стендов. К исследованиям, относившимся ко второму направлению, относится изучение ВЧ и СВЧ разрядов. Г.С. Солнцев и П.С. Булкин исследовали импульсный и непрерывный разряды в 10 см СВЧ диапазоне. На основе проведенных измерений был предложен способ построения интегральных моделей СВЧ разряда, основанный на решении уравнений баланса числа электронов, их энергии и уравнений Максвелла. В этой же научной группе В.А. Довженко и А.П. Ершовым были выполнены пионерские работы по расчету и измерению функции распределения электронов по энергиям в СВЧ разряде. А.А. Кузовников с сотрудниками исследовал ВЧ разряды и процессы в слоях пространственного заряда на границах плазмы. Была выдвинута, а затем — экспериментально теоретически обоснована гипотеза о детектировании ВЧ напряжения на нелинейной вольт-амперной характеристике пристеночных или приэлектродных слоев пространственного заряда. Построена и экспериментально проверена модель емкостного разряда, показавшая существенную роль геометрического резонанса плазма-слой пространственного заряда при низких давлениях нейтрального газа.

К этому же классу исследований относятся эксперименты А.М. Девятова и Л.М. Волковой по изучению элементарных процессов в плазме (Измерение сечений, разделения компонент в плазме (катафорез), разработка зондовой диагностики).

Исследуя магнитоактивную плазму, В.Л. Грановский вместе со своими аспирантами установил, что при малых полях В<В кр диффузия плазмы в магнитном поле подчиняется классической теории, причем для непроводящих стенок разрядной камеры диффузия будет амбиполярной.

Большой цикл классических исследований колебаний, шумов и различных волновых процессов проводился на кафедре под общим руководством А.А. Зайцева. Его группа изучала устойчивость плазмы газового разряда во внешнем продольном постоянном магнитном поле и обнаружила существование критической напряженности магнитного поля В кр . При B>B Kp в плазме развивается винтовая неустойчивость. Этот результат полностью подтверждал теорию Б.Б. Кадомцева и А.В. Недоспасова и имел принципиальное значение для магнитного удержания плазмы в термоядерных реакторах. Именно в силу этого обстоятельства А.А. Зайцев много раз повторял и проверял свои результаты, направив их в печать с двухлетней задержкой и после публикации аналогичных экспериментов Ленерта. Б.Н. Швилкин с сотрудниками экспериментально изучал дрейфово-диссипативная неустойчивость и распространение волн в неоднородной магнитоактивной плазме. Полученные результаты были очень важны для подтверждения теорий, предсказывать па раметры плазмы в термоядерных установках при увеличении их размера.

В начале шестидесятых годов под руководством доцента В.Е. Мицука были проведены пионерские исследования уникального газового разряда, создаваемого в сфокусированном пучке электромагнитного излучения оптического диапазона, который назвали «лазерной искрой». В экспериментах использовались оптические генераторы (лазеры) с мощностью излучения до 30 МВт. В 1964 году эти лазеры были самыми мощными в мире. Были определены пробойные характеристики в случае реализации комбинированного разряда: лазерное плюс СВЧ излучения. В работах группы был выявлен механизм взаимодействия мощного электромагнитного излучения с газообразными средами. Проведенные работы соответствовали лучшим мировым стандартам.

В 1967 г. по инициативе А.А. Рухадзе и А.Ф. Александрова (по идее Н.Г. Басова) были начаты пионерские работы в области экспериментального и теоретического изучения физических процессов в сильноточных излучающих разрядах . Впоследствии эти работы были отмечены Государственной премией. С практической точки зрения эти исследования были нацелены на создание высокоинтенсивных источников неко герентного излучения видимого и ближнего УФ диапазонов длин волн для накачки сверхмощных лазеров. Рабочим телом таких источников должна была служить плотная излучающая плазма с плотностью электронов порядка 10 17 ...10 20 см -3 , температурой 2·10 4 ...10 5 К и временем жизни (временем устойчивого состояния) порядка 100 мкс. Состояние плазмы с такими параметрами предполагалось реализовать в сильноточных самосжатых разрядах (пинчах) в атмосфере тяжелых газов. В течение двух лет силами сотрудников, аспирантов и студентов кафедры был создан экспериментальный стенд «Фотон», — емкостной накопитель энергии с рекордными параметрами: общая емкость 500 мкФ, рабочее напряжение 50 кВ, запасенная энергия — до 600 кДж, оснащенный средствами разрешенной во времени диагностики основных макроскопических параметров разряда. Это был крупнейший из действовавших в то время в СССР экспериментальных стендов подобного типа. Большую роль в исследовании этого типа разряда сыграли эксперименты И.Б. Тимофеева.

Были исследованы два больших класса излучающих разрядов: «вакуумные» разряды, образованные металлическим взрывом в вакууме металлических проволочек и «атмосферные» разряды или разряды в неограниченной газовой среде. Путем электрического взрыва проволочек из тяжелых металлов была реализована стадия магнитного удержания плазменного шнура и целый ряд других экспериментальных результатов.

С начала 70-х годов под руководством профессора А.А Кузовникова и доцента В.Е. Мицука на кафедре начало развиваться новое направление в физике плазмы, связанное с изучением безэлектродного СВЧ-разряда, создаваемого сфокусированным пучком мощного электромагнитного излучения. По заданию директивных органов на кафедре был создан уникальный лабораторный стенд, оснащенный современным диагностирующим оборудованием. Это была вторая из крупных экспериментальных установок, созданных на кафедре. На ней была решена проблема локализации СВЧ-разряда в заданном месте свободного пространства. Был экспериментально обнаружен и подробно исследован «аномально» быстрый нагрев воздуха в плазме самостоятельного СВЧ-разряда, предложен механизм, объясняющий это явление.

С конца 80-х годов под руководством профессора А.А. Кузовникова проводились работы по выявлению механизмов, влияющих на распространение ударных волн в плазме. Установлено, что основным является тепловой механизм взаимодействия. Экспериментально установлено, что структура электронной компоненты УВ в плазме поперечного емкостного ВЧ разряда в атомарных и молекулярных газах характеризуется наличием теплопроводностного предвестника в виде волны разрежения, обусловленного выносом зоны охлаждения электронов за фронтом УВ.

В начале 90-х годов 20 века было обнаружено, что освоение сверхзвуковых и гиперзвуковых областей скоростей полета летательных аппаратов (ЛА) требует разработки принципиально новых методов управления газовыми потоками, основанных на использовании различных газовых разрядов, плазменных струй и электронных пучков, равновесной и неравновесной плазмы в рамках создающегося нового научного направления — «плазменной аэродинамики и горения стимулированного плазмой» (ПА и ГСП).

Благодаря появлению в 1993 году соглашения Гор-Черномырдин, которым разрешалось проведение совместных российско-американских научных исследований, группе исследователей (1993 г. — Г.А. Мишин, 1995 г. — А.И. Климов и В.Л. Бычков) удалось заинтересовать данной проблемой американских ученых, которые постарались создать новое для них направление при помощи финансирования известных групп из бывшего СССР. На кафедре физической электроники данные исследования проходили под руководством А.Ф. Александрова. Он добился разрешения проведения исследований с американскими заказчиками через Международный научно-исследовательский центр (МНТЦ) и постоянно направлял и стимулировал исследования.

Исследования в этом направлении на кафедре данным проводились профессорами А.П. Ершовым, В.М. Шибковым, И.Б. Тимофеевым и доцентом В.А. Черниковым. Они изучали возможность применения тлеющих и СВЧ разрядов, плазменных струй (в том числе магнитоплазменных и эрозионных-капиллярных), для воздействия на ударные волны, для создания долгоживущих светящихся плазменных образований с целью энергетического воздействия на газы, металлические и диэлектрические объекты. Результаты этих исследований докладывались в 1997–2004 гг. на международных конференциях: Workshop on Weakly Ionized plasma, и AIAA Aerospace Science Meeting and Exhibit проводимых American Institute of Aeronautics and Аstronautics. В частности, на кафедре был предложен, реализован и подробно исследован СВЧ разряд, создаваемый поверхностной волной на диэлектрической антенне, обтекаемой сверхзвуковым потоком воздуха. Впервые решены задачи, применения самостоятельного СВЧ-разряда для быстрого воспламенения и стабилизации сверхзвукового горения воздушно-углеводородных топлив. Реализована стабилизация горения пропана в сверхзвуковом потоке воздуха внутри гладкого (без использования застойных зон) аэродинамического канала с присоединенным воздуховодом.

Исследования в области релятивистской СВЧ электроники начались на кафедре по инициативе А.А. Рухадзе и А.Ф. Александрова. Исключительные возможности сильноточных электронных ускорителей (СЭУ) по мощности и энергии пучка, с одной стороны, дали возможность выйти на уровень выходной СВЧ мощности ~10 ГВт и энергии одиночного импульса ~10 кДж. С другой стороны, разработка приборов, использующих рассеяние волн с повышением частоты пропорционально квадрату релятивистского фактора ускоренных электронов (лазеров на свободных электронах), позволило по-новому подойти к проблеме освоения коротковолновой части диапазона СВЧ вплоть до оптических частот. Развитие этого направления стало возможным с запуском в 1978 году на кафедре сильноточного импульсного электронного ускорителя (СЭУ) прямого действия «Тандем-1». Этот ускоритель представлял собой уникальный инструмент для экспериментальных исследований, позволяющий в широких пределах изменять характеристики электронного пучка: диапазон энергий электронов 200 кэВ — 1.2 МэВ, ток пучка 1–20 кА, длительность импульса от 200 нс до нескольких микросекунд. Источники черенковского излучения с электродинамическими системами, поперечные размеры которых были порядка длины генерируемой волны, хорошо зарекомендовали себя в диапазоне длительностей импульсов ~10 нс. Дальнейшие эксперименты показали, что увеличение длительности импульса было возможно только при уменьшении пиковой мощности. Увеличить рубеж длительности СВЧ импульса в 100 нс при высоком уровне мощности удалось при использовании в экспериментах пространственно развитых электродинамических систем, теоретически исследовавшихся на кафедре радиофизики СВЧ в группе В.И. Канавца. Данный цикл работ в 1989 году был удостоен Ломоносовской Премии I степени (А.Ф. Александров, В.И. Канавец и А.А. Рухадзе).

Исследования ВЧ разрядов на кафедре в настоящее время нашли свое продолжения в работах группы по изучению физики высокочастотного разряда и разработке плазменных и ионно-пучковых технологий на его основе (Е.А. Кралькина). Основные на правлениями работы группы — изучение ВЧ разряда при отсутствии и наличии внешнего магнитного поля, разработка макетов источников плазмы, ионно-пучковых и плазменных технологий модификации поверхности материалов и нанесения функциональных покрытий на его основе. Экспериментальные работы, ведущиеся в группе, осуществляются на современных установках, закупленных в рамках программы развития МГУ. Большую роль в получении этого оборудования сыграл А.Ф. Александров. В группе разработана теоретическая модель индуктивного ВЧ источника плазмы без магнитного поля, проведено его численное моделирование, систематические экспериментальные исследования параметров. Проведены численное моделирование, экспериментальные исследования и построена теоретическая модель индуктивного ВЧ разряда в магнитном поле. Исследования показали, что разряд поддерживается геликоноподобной и квазипродольной косой ленгмюровскими волнами. Разработаны прототипы источников плазмы для космических и наземных технологий — гибридная система для нанесения сложных функциональных покрытий и протяженный атмосферный ВЧ разряд для чистки и поверхностной модификации материалов. Разработаны ионно-пучковые и плазменные технологии поверхностной модификации полиимида и фторопласта, позволяющие существенно увеличить их адгезионные свойства.

Исследования в области твердотельной электроники

В истории кафедры заметное и значительное место занимает электронная микроскопия. Это научное направление бурно развивалось на кафедре под руководством профессора Г.В. Спивака. Эксперименты проводились на различных типах электронных микроскопов, часто самодельных: термоэмиссионные, автоэмиссионные, электронно-зеркальные, просвечивающие, растровые. Экспериментальные исследования сопровождались разработкой теории контраста.

К основным достижениям ученых кафедры в области электронной микроскопии мирового уровня относятся:

• разработка стробоскопического режима работы электронных микроскопов, позволяющего исследовать на микроуровне динамику быстропротекающих физических процессов (Спивак Г.В., Седов Н.Н., Дубинина Е.М., Дюков В.Г., Сапарин Г.В., Петров В.И.)

• создание первого в стране действующего лабораторного макета растрового электронного микроскопа (Спивак Г.В., Сапарин Г.В.)

• разработка одного из первых в мире растрового зеркального электронного микроскопа (Спивак Г.В., Pay Э.И., Лукьянов А.Е.)

• теоретические и экспериментальные исследования механизмов образования контраста изображений электрических и магнитных микрополей в электронных эмиссионных, зеркальных и растровых микроскопах (Спивак Г.В., Седов Н.Н., Дубинина Е.М., Дюков В.Г., Сапарин Г.В., Невзоров А.Н., Лукьянов А.Е., Pay Э.И., Гвоздовер Р.С., Шишкин Б.Б.);

• разработка метода цветной катодолюминесценции в сканирующей электронной микроскопии (Сапарин Г.В., Обыден С.К.)

• разработка методов и аппаратуры для микротомографии трехмерных микроструктур в обратно-рассеянных электронах и бесконтактного детектирования электронно-индуцированных потенциалов в сканирующем электронном микроскопе (Pay Э.И.)

Пионерские научные исследования ученых кафедры по визуализации доменной структуры ферромагнетиков и обнаружению явления разрыва доменных стенок под воздействием импульсных магнитных полей в тонких магнитных пленках отмечены в 1972 году Ломоносовской премией (Спивак Г.В., Петров В.И. совместно с Телесниным Р.В. и Колотовым О.С.).

Славные традиции в области электронной микроскопии развиваются в настоящее время в группе профессора Э.И. Рау. Эти работы проводились в тесном международном сотрудничестве с зарубежными университетами Германии, Франции, Англии, Австрии, Китая в рамках совместных научных проектов CNRS, INTAS, CRDF, DFG.

Экспериментальные и теоретические исследования в области взаимодействия ускоренных ионов с веществом являются одним из основных направлений в научной деятельности кафедры. Первые работы на кафедре в этом направлении были инициированы профессором Г.В. Спиваком. Еще в середине 30-х годов прошлого века Г.В. Спивак уделял значительное внимание изучению взаимодействия компонентов плазмы с электродами. В начале 50-х годов прошлого века под его руководством проводились исследования ионного травления материалов, и был создан ряд установок для выявления кристаллической структуры и дефектов в различных материалах (Г.В. Спивак, В.Е. Юрасова, Ф.Ф. Кушнир), которые были удостоены высоких наград на всесоюзных и международных выставках. Работы В.Е. Юрасовой по изучению распыления и вторичной ионной эмиссии стали новой вехой в развитии исследований взаимодействия атомных частиц с твердым телом. Именно благодаря этим и последующим работам В.Е. Юрасовой, исследования в этой области сформировались как самостоятельное научное направление и вышли на мировой уровень. В середине 60-х годов на кафедре были начаты работы по компьютерному моделированию взаимодействия ионов с кристаллами. В.А. Эльтеков, Д. Карпузов (ныне д.ф.-м.н., профессор, Канада) и В.И. Шульга (сотрудник НИИЯФ МГУ, д.ф.-м.н.) внесли огромный вклад в развитие этого важного направления в исследовании взаимодействия ионов с веществом.

70-е годы ознаменовались значительными успехами в области экспериментальных исследований распыления. Впервые был обнаружен «квантовый эффект в распылении»: установлено, что распыление и вторичная ионная эмиссия изменяются при переходе через точку Кюри (В.С. Черныш, В.Е Юрасова). Теория обнаруженного эффекта была разработана в кандидатских диссертациях сотрудника кафедры М.В. Кувакина.

Впоследствии было экспериментально продемонстрировано влияние полиморфного превращения в кристаллах на эмиссию распыленных атомов, ионов и фотонов.

Важную роль в развитии представлений о явлении распыления и его роли в формировании состава облучаемой ионами поверхности сыграли эксперименты по исследованию угловых распределений частиц, распыленных из сплавов, поставленные B.C. Чернышом во время его научной стажировки в Дании в 1980–1981 гг. В этом цикле исследований был впервые обнаружен эффект нестехиометрического распыления компонентов по углам эмиссии и было показано, что распыление невозможно объяснить только с точки зрения столкновительных механизмов.

В 80-е годы активно развивалась экспериментальная база: создан уникальный сверхвысоковакуумный ускоритель ионов, установка для исследования взаимодействия ионов с веществом по методу совпадений. Была сконструирована также установка для изучения вторичной ионной эмиссии с угловым и энергетическим разрешением.

Использование этих уникальных установок позволило:

• обнаружить осцилляции в энергетическом спектре вторичных возбужденных ионов, указывающие на квантовую интерференцию различных состояний ионов и мишени и открывающие новый экспериментальный метод определения электронной структуры поверхности;

• изучить механизмы вторичной ионной эмиссии;

• продемонстрировать, что масс спектрометрия вторичных ионов может использоваться не только для диагностики состава, но и для определения кристаллической структуры тонких поверхностных слоев.

Даже в «провальные» 90-е годы исследования по теме продолжали развиваться. Профессор И.Ф. Уразгильдин с учениками разрабатывал теоретические основы неупругих процессов, сопровождающих взаимодействие ионов с веществом. Эти работы, выполненные на высоком научном уровне, были заслуженно оценены в нашей стране и за рубежом.

В начале XXI века были продолжены традиционные для кафедры исследования угловых распределений атомов, распыленных из одноэлементных мишеней и сплавов (А.С. Патракеев, B.C. Черныш). В этих экспериментах, сопровождавшихся компьютерным моделированием, проводившимся В.И. Шульгой, были обнаружены сильные отклонения от предсказаний общепринятой теории Зигмунда. В.Е. Юрасова совместно с Э.И. Pay развивают исследования эффектов зарядки диэлектриков при электронном и ионном облучении.

Кроме того, работы по исследованию взаимодействия ионов с веществом вышли на новый уровень — уровень наночастиц.

И.Ф. Уразгильдин и И.К. Гайнуллин начали теоретические исследования процессов перезарядки при взаимодействии частиц с наносистемами. А в 2007 году по инициативе B.C. Черныша создана совместная лаборатория ионно-пучковых нанотехнологий физического факультета МГУ, НИИЯФ МГУ и ОАО «Тензор», основной задачей которой является разработка физических основ развития современных нанотехнологий с использованием ионных пучков.

В конце 2010 года в лаборатории при поддержке ОАО «Тензор» был реализован проект по созданию ускорителя газовых кластерных ионов. На созданном ускорителе получены пучки ускоренных кластерных ионов инертных газов, в составе которых наблюдаются ионы от мономеров до кластеров, состоящих из нескольких тысяч атомов. Уже первые эксперименты, выполненные на этом ускорителе, привели к обнаружению нового механизма распыления кластерными ионами.

Наряду с этим в совместной лаборатории при поддержке ОАО «Тензор» был создан уникальный ускорительный комплекс на энергии атомарных ионов до 500 кэВ. В рамках ряда хоздоговоров с предприятиями г. Зеленограда на созданном комплексе проводились исследования по использованию ионной имплантации для создания наноструктур, в частности, для улучшения кристаллической структуры пленок кремния, выращенных на сапфире (так называемые КНС структуры). В кратчайшие сроки лаборатории удалось завоевать ведущие позиции в нашей стране в этой области. Проводятся также исследования, направленные на развитие современных методов изучения наноматериалов и нанообъектов. В частности, в последние годы проводится освоение спектроскопии рассеяния ионов средних энергий, которая позволяет изучать состав поверхности с разрешением по глубине анализа на уровне монослоя.

Исследования по взаимодействию ионов с веществом, проводимые на кафедре, всегда занимали передовые позиции в отечественной и мировой науке.

Об этом свидетельствует, в частности, тот факт, что лабораторию в разные годы посещали такие корифеи как профессора Г. Венер (США), М. Томпсон, Дж. Коллигон и Д. Картер (Англия), Р. Бериш (Германия), Б. Перович (Югославия), Я. Кистемакер (Голландия), П. Зигмунд (Дания).

Изучение физических процессов, происходящих на поверхности твердых тел при воздействии низкоэнергетического электронного облучения , были начаты на кафедре в 1967 году под руководством Е.М. Дубининой. Первые работы, проведенные в группе в 1967–1968 гг., были посвящены изучению возможности использования электронного облучения для формирования полимерных пленок, локализованных в области электронного пучка. Для этого использовались низкоэнергетические электроны в диапазоне энергий 0,1 – 3 кэВ. С 1969 г. в группе Е.М. Дубининой основное внимание было уделено получению с помо щью электронного луча пленок на основе различных кремнийорганических соединений. С помощью правильно подобранных параметров электронного пучка можно было создавать пленки с различными, заранее заданными свойствами. В 1975 году в группе были начаты работы в новом направлении по исследованию низкоэнергетической электронной стимуляции осаждения металла на поверхности твердых тел при их бомбардировке электронами низких энергий. Было обнаружено, что под действием даже низкоэнергетической электронной бомбардировки на поверхности твердого тела создается достаточное количество радиационных дефектов, которые могут служить дополнительными центрами конденсации атомов на поверхности подложки. В результате оказывается возможным локальное осаждение пленок металла в области взаимодействия электронов с подложкой.

В 1997–2009 гг. под руководством С.С. Еловикова исследовалась практически важная проблема изучения радиационной стойкости различных материалов по отношению к низкоэнергетическому электронному и ионному облучению. В работе аспирантки Е.Ю. Зыковой изучались процессы разрушения ионами и электронами ряда нитридов металлов, которые широко применяются в технических приложениях и как основа нового поколения светодиодов. Исследования показали, что максимальной радиационной стойкостью обладает нитрид бора гексагональной, ромбоэдрической и кубической модификаций, наименьшей — нитрид галлия.

Последние работы группы были посвящены разработке методики электронно-лучевой модификации поверхности диэлектриков и формированию на ней наноразмерных островковых металлических пленок. Подобные объекты интересны для экспериментального изучения особенностей зарядового обмена между ионом и островковой пленкой.

Важное место в исследованиях лаборатории твердотельной электроники занимают исследования ионно-стимулированного осаждения тонких пленок. Начало работы по этому направлению восходит к 60-м годам, когда была создана по тем временам рекордно высокопервеансная электронная пушка и миниатюрный высоковакуумный ионный источник с полым катодом. С использованием созданных источников под руководством М.Б. Гусевой было начато систематическое исследование закономерностей и выяснение механизма ионной стимуляции процесса конденсации и роста пленок.

Важную роль в развитии исследований ионно-стимулированных процессов сыграло изучение влияния ионного облучения на процессы формирования, структуру и свойства углеродных пленок, которое показало, что в зависимости от энергии ионного облучения (0 – 200 эВ) свойства аморфных углеродных пленок, конденсируемых в условиях ионного облучения, немонотонно изменяются с энергией ионов. Впервые проведено теоретическое описание механизма формирования структуры углеродных кластеров под действием медленных ионов, учитывающего эффекты неупругого взаимодействия ионов с углеродным конденсатом, приводящее к селективному возбуждению электронной подсистемы растущей углеродной пленки.

Идентификация ближнего порядка и типа химической связи в аморфных углеродных системах всегда представляла сложную задачу. Для решения этой проблемы В.В. Хвостов разработал оригинальную методику обработки Оже-спектров, основанную на методе деконволюции линий углерода для определения плотности электронных состояний в валентной зоне a-C. С применением этого метода, а также с помощью анализа спектра характеристических потерь энергии электронов была впервые исследована электронная структура карбина — новой аллотропной модификации углерода и доказана его линейно-цепочечная структура.

Эти работы положили начало циклу приоритетных пионерских исследований, посвященных развитию методов синтеза и изучению свойств и структуры карбина. Реализованы методы газоразрядной, лазерной и ионно-стимулированной конденсации карбиновых пленок, предложены способы управления структурой карбина с применением радиационных методов, позволяющие получать различные модификации карбина.

В 1983 г. были впервые синтезированы углеродные пленки с ГЦК структурой (Н.Ф. Савченко), возможность существования которой впервые была теоретически обоснована в 60–70-х годах в работах Л.С. Палатника. Экспериментальное исследование атомной и электронной структуры и электрофизических свойств пленок с ГЦК структурой доказало, что это — новая четвертая аллотропная форма углерода с нетрадиционным для углерода типом химической связи, формируемым негибридизованными электронными орбиталями.

В научной группе создана уникальная установка для синтеза углеродных пленок с широким диапазоном свойств от металлических до диэлектрических. Такая установка позволяет методами ионно-стимулированного импульсно-плазменного осаждения, магнетронного распыления в режимах постоянного и переменного токов и CVD создавать гетероструктуры на основе углерода, удовлетворяющие требованиям технологий микроэлектроники.

Исследования показали, что карбиноподобные пленки имеют уникальные медико-биологические свойства. Работы по этому направлению возглавляет профессор А.Ф. Александров. На основе карбиноподобных пленок удалось создать идеальные по биосовместимости покрытия для медицины: в офтальмологии, стоматологии, сердечно сосудистой хирургии, трансплантологии и т.д. Все эти материалы и изделия прошли всесторонние исследования в клиниках и показали отличные результаты.

Поскольку проведение экспериментов, находящихся на переднем крае науки, немыслимо без параллельного проведения теоретических исследований, на кафедре электроники всегда проводились такие работы. Был теоретически определен первый таунсендовский коэффициент ионизации (С.К. Моралев, И.И. Глотов). Н.А. Капцов рассчитал распределения поля в коронирующем слое и вольтамперные характеристик короны, им рассмотрены прерывистые явления в коронном разряде и ее переход в искровой или дуговой разряд. Г.В. Спивак разработал новый метод интерпретации показаний зондов при наличии магнитного поля и создал фундаментальную теорию влияния магнитного поля на зондовые токи. Классическая теория Ленгмюра вытекает из этой общей теории как частный случай. Параллельно была уточнена теория процессов в магнетроне. Учет функции распределения электронов по скоростям, проводившийся Г.В. Спиваком в исследованиях магнетрона и влияния магнитного поля на процессы в плазме и в вакууме, привел в 1948 г. к разработке общего метода нахождения функций распределения для неравновесных, но стационарных систем при наличии явлений переноса.

С 1957 по 1964 г. на кафедре работал В. Л. Грановский, который вместе со своими аспирантами исследовал процессы аномальной диффузии в плазме, помещенной в магнитное поле. Монография В.Л. Грановского «Электрический ток в газе» (1952) приобрела большую популярность благодаря систематически и блестяще изложенному разностороннему экспериментальному и теоретическому материалу по элементарным и коллективным процессам в газовом разряде.

С 1966 по 2008 г. теоретические исследования на кафедре возглавлял профессор А.А. Рухадзе. С его приходим на кафедре появились молодые теоретики-дипломники, аспиранты, стажеры-исследователи, установились тесные контакты с теоретическими коллективами таких крупных академических институтов как ФИАН и ИОФАН, ИАЭ им. И.В. Курчатова. Кафедра стала серьезной школой по подготовке квалифицированных теоретиков в области физики плазмы и электродинамики материальных сред.

Особо следует отметить работы А.А. Рухадзе и М.В. Кузелева по формулированию основных принципов релятивистской СВЧ электроники. В результате этих работ была создана новая область физики плазмы — релятивистская плазменная СВЧ электроника. Рассчитанные теоретиками и реализованные экспериментально в ИОФ РАН плазменные СВЧ генераторы успешно конкурируют с вакуумными и обладают рядом преимуществ. Теоретические исследования в этой области в 1990 году обобщены в монографии А.А. Рухадзе, М.В. Кузелева « Электродинамика плотных электронных пучков в плазме», переведенной на английский язык и изданной во Франции.

Особо следует отметить роль теоретической группы в совершенствовании преподавания на кафедре. Огромным авторитетом на кафедре и физическом факультете в целом пользовался годовой теоретический спецкурс по электродинамике плазмы, читавшийся профессором А.А. Рухадзе. На основе этого курса А.Ф. Александровым, Л.С. Богданкевич, А.А. Рухадзе создан учебник «Основы электродинамики плазмы», который в 1991 году был удостоен Государственной премии СССР в области науки и техники. Учебник был переведен в 1984 г. на английский язык, и издан в Германии издательством Шпрингер-Ферлаг (Springer-Verlag) и получил высокую оценку в СССР и за рубежом, превратившись в настольную книгу для физиков-плазменщиков. Этот учебник, по существу, представляет собой изложение основ электродинамики сред с пространственной дисперсией и ее применению для описания электромагнитных свойств плазмы и плазмоподобных сред.

Группа российских и американских исследователей после окончания семинара (2010), МГУ, Москва

Научные достижения сотрудников кафедры электроники были высоко оценены на учным сообществом. Лауреатами Государственной премии стали А.Ф. Александров и А.А. Рухадзе (1981, 1991), воспитанник лаборатории электрических явлений в газах Э.М. Рейхрудель (1984). Лауреатами Ломоносовских премий были Г.В. Спивак (1972), В.И. Петров (1972), А.Ф. Александров (1989, 1997), А.А. Рухадзе (1989).

К юбилею кафедры была издана брошюра, с которой можно ознакомиться на сайте кафедры и в библиотеке.

Сотрудники кафедры физической электроники в год юбилея

С.А. Двинин, В.С. Черныш

При подготовке данной статьи использовались материалы Юбилейного сборника «Кафедре физической электроники 85 лет», Москва, Московский Государственный университет имени М.В.Ломоносова, физический факультет, 2016.

Назад