446

2004 Физика и химия стекла . Том 30, №1

© Серов И.Н*, Жабрев В.А**, Марголин В.И.***

Исследование воздействия фрактально-матричных структуризаторов на процессы образования и роста наноразмерных структур1

Исследовательский центр фонда развития новых медицинских технологий «Айрэс»,

Россия, 197342, Санкт-Петербург, Выборгская наб., 61

 Институт химии силикатов им. И. В. Гребенщикова Р4Н,

Россия, 199155, Санкт-Петербург, ул. Одоевского, 24, карп. 2

 Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ», Россия, 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, д. 5

Рассмотрены и проанализированы процессы нанесения наноразмерных по толщине пленок на стеклянные подложки методами магнетронного и термического вакуумного напыления под воздействием фрактально-матричных структуризаторов «Айрэс». Приводятся и обсуждаются результаты исследований полученных структур методами рентгенофазового анализа, рентгеновского микроанализа, растровой электронной и атомно-силовой микроскопии. Отмечается, что под воздействием фронтально-матричных структуризаторов наноразмерные пленки приобретают фрактальную и даже мультифрактальную структуру.

Введение. В предыдущей работе [1] авторы изложили свои соображения по поводу некоторых путей развития нанотехнологии и, в частности, возможных методов решения проблемы получения рисунка наноразмерной структуры на достаточно большом локальном участке подложки с помощью групповых методов обработки. Высказанное авторами предположение о возможности использования для процессов структурирования получаемых наноразмерных объектов директивно воздействующего физического агента, в роли которого предлагалось использовать соответствующим образом структурированное электромагнитное поле, естественно, нуждалось в экспериментальном обосновании. Для осуществления процессов структурирования электромагнитного поля предлагалось применить фрактально-матричные структуризаторы (ФМС) «Айрэс», представляющие собой синтезированную соответствующим образом по определенному алгоритму штриховую голограмму с размером штриха в последних разработках менее микрона и являющуюся чрезвычайно сложной криволинейной дифракционной решеткой [2]². Настоящая работа посвящена проведенным экспериментальным исследованиям по нанесению тонких наноразмерных по толщине пленок различных материалов под воздействием ФМС и их авторской трактовке. Авторы с глубокой благодарностью воспримут любые позитивные (впрочем, и негативные тоже) суждения по поводу высказанных ими соображений.

Фрактально-матричные структуризаторы «Айрэс» в качестве преобразователей волновых полей

ФМС «Айрэс» представляют собой криволинейную дифракционную решетку, изображение которой методами прецизионной оптической фотолитографии перенесено на подложку, в качестве которой используются либо монокристаллические кремниевые подложки, либо оптически полированные стеклянные подложки, либо органический пластиковый носитель. Рисунок дифракционной решетки представляет собой фрактально-матричную топологию, выполненную в виде фрактально собранной матрицы, состоящей из строгого набора подобных себе модулей. Последние представляют собой графическое изображение плоскостной проекции многоуровневой пространственной геометрической структуры, в которой множественная уровневая градация является развернутым рядом натуральных чисел n, уравновешенных как минимум по трем базисным пространственным векторам Х, Y, Z, с дальнейшим выходом на многомерность N и образованием шаровой моноструктурной формы с бесконечным количеством собственных составляющих, удовлетворяющих условию Хⁿ + Уⁿ + Zⁿ + ... + Nⁿ = О, где Х Y, Z, ..., N —, число векторов фрактализации, N— любое целое число больше двух, n — количество уровней фрактализации [3].

С помощью такого весьма простого алгоритма легко получить различные планарные варианты фрактально-матричных топологий. Определяющим фактором функциональных свойств матричной графики, выполненной особым образом в виде плоского резонатора, является барьерный эффект смены плотности среды, которая резко изменяется на границе соприкосновения «свободного поля» и структурных линий. Чем более выражено это различие, тем выше эффект резонансной способности схемы, фиксированной даже в двумерном пространстве [4].

При этом определяющей является не толщина линии, а именно разница плотностей вещества в зоне перехода, обеспечиваемая соответствующими параметрами структурной решетки используемого для изготовления матрицы материала. Поэтому для построения резонаторов применяется специфическая техника напыления: на гладкую поверхность наносится вольфрамомолибденовое или аналогичное по свойствам покрытие³, причем плоскость, ограничивающая зону перехода, должна быть абсолютно ровной, так как любые шероховатости и дефекты линейных характеристик дают дополнительные, искажающие четкость фрактального резонанса флуктуации [4]. Дополнительное структурирование в зоне перехода покрытие — подложка позволит получить резонатор, который по своим характеристикам будет приближаться к абсолютным, и воспроизводимый графический слой будет обладать некоторыми свойствами абсолютного куба [5], что позволит получать структуры, имеющие признаки фрактальных.

Под фрактальными принято понимать структуры, самоорганизующиеся в открытых системах⁴ вследствие различных явлений, протекающих в подобных системах и инициирующих процессы самоорганизации и самокоррекции. Под фракталом мы в широком смысле слова понимаем любую жестко организованную на принципах самоподобия и самосогласования иерархическую структуру. И хотя в литературе не найти строгого определения фрактала, он означает структуру, возникающую, когда обломки (части) целого соединяются друг с другом так, что возникает инвариантность по отношению к масштабу. Поэтому иногда фракталом называют объект, состоящий из частей, подобных целому, т. е. обладающий самоподобием [6].

Считается, что фрактальные системы в большинстве, своем являются неупорядоченными, с особыми структурными свойствами и их макроскопические свойства весьма слабо изучены. В настоящее время принято различать такие элементы фрактальных структур, как фрактальный кластер и фрактальный агрегат, Под кластером вообще и фрактальным кластером в частности принято подразумевать конгломерат частиц, состоящий из определенного и фиксированного для каждого материала числа частиц, уход за рамки которого, причем всего лишь на один атом, изменяет какие-либо физические свойства кластера. Хотя более привычным является определение кластера как устойчивого образования из некоторого числа атомов и обладающего определенными физическими свойствами, но такие структуры, по нашему мнению, более правильно определять, как наночастицы или ультрадисперсные частицы. Фрактальный агрегат (более крупное образование) каждого вещества формируется из фрактальных кластеров при определенных физических условиях.

Топологический рисунок ФМС первого поколения выполнялся методом шелкографии из органической композиции, содержащей бронзовый мелкодисперсный порошок и связующий компаунд, на тонком пленочном органическом, носителе или кремниевой монокристаллической подложке с ориентацией <100>. Ширина линии рисунка матричной топологии составляла порядка 80 — 100 мкм. На рис. 1 представлены фрагменты топологических рисунков ФМС для структуризаторов различных поколений; На рис. 1, а представлена топология ФМС первого поколения, носившего название «аппликатор». ФМС типа аппликатор применялись и до сих пор применяются для воздействия на биологические объекты [4].

ФМС второго поколения представляют собой матричный фрактальный модуль диаметром 66.56 мм с топологическим рисунком, выполненным светлыми линиями на темном фоне (покрытие из Fe₂O₃) на стеклянной подложке (фотошаблонное боросиликатное оптическое стекло), и применяются в качестве оптических фильтров для коррекции различных биологических процессов, и в частности для систематизации биоэлектрической активности головного мозга [7]. Ширина линии в ФМС второго поколения составляет для разных модификаций от единиц до десятков мкм. Фрагмент одной из подобных топологий представлен на рис. 1, б.

ФМС третьего поколения представляет собой монокристаллический кремниевый чип размером 7.5 х 7.5 мм (AIRES 01, AIRES 02, AIRES 03 ТУ 6339-029-07598199-2001), производимый ОАО «Ангстрем» по технологии «Айрэс». Размер линии топологического рисунка составляет величину порядка 1.0 мкм. Материалом покрытия является алюминий, покрытый слоем нитрида титана с целью изоляции. Фрагмент топологического рисунка данного устройства представлен на рис. 1, в. Система, представляющая собой сочетание кремниевого чипа с органическим носителем, на котором он закреплялся, получила название нейтрализатор. При этом на органическом носителе методами печати выполнялся рисунок фрактальной топологии с шириной линии порядка долей миллиметра.

ФМС четвертого поколения разрабатывались специально с учетом возможности применения их для воздействия на объекты неживой природы, в частности на технологические процессы микро- и нанотехнологии. Структуризаторы представляют собой подложку из оптически полированного стекла марки К-8, на которой создан рисунок фрактально-матричных топологий по гексагональной схеме. Фрагмент, топологии ФМС четвертого поколения представлен на рис. 1, г. В проводимых нами экспериментах использовались все типы структуризаторов и их различные комбинации.