Процессы дефектообразования и метод управления формированием структур кристаллов СБИС.

д.т.н., академик РАЕН, А.И. ХЕСИН, д.т.н., член-корр. РАЕН, В.Н. УШМОДИН

Статья опубликована в журнале "НАЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОПОЛИТИКА РОССИИ" (федеральное издание) №5-6(46-47), 2003г.

При использовании материалов данной статьи ссылка на первоисточник обязательна.

В статье рассматривается механизм образования дефектов в кристаллах с точки зрения процессов самоорганизации. Научное открытие "Явление упорядочения структуры кристаллов малыми дозами ионизирующего излучения" и принципы "квантовой телепортации", открывают возможности для создания новых технологий для производства средств связи и нано-компьютеров с уникальными техническими характеристиками. Рассматривается действие технологии по управлению образования дефектов на этапе роста кристалла. Обосновывается возможность создания кристаллических нано-структур методом управления образования дефектов с целью производства принципиально новых технических средств коммуникаций и компьютеров будущего.

Статья написана по материалам открытой печати.

Научные исследования в области физики твёрдого тела показали, что дефекты в кристалле необходимо рассматривать как неотъемлемое свойство любых кристаллических веществ.

В природе практически не существует идеальных кристаллов, и любая кристаллическая решётка имеет в своей структуре дефекты различного рода. В настоящее время принята следующая классификация дефектов [1]:

1) точечные дефекты - нарушения периодичности в изолированных друг от друга точках решётки. Это вакансии, атомы в междоузлиях, атомы в узлах "чужой" подрешётки, примесные атомы в узлах или междоузлиях;

2) линейные дефекты - одномерные нарушения периодичности кристаллической решетки, которые могут простираться на расстояния, сравнимые с размером кристалла. Это могут быть - дислокации или цепочки точечных дефектов;

3) поверхностные или двумерные дефекты, которые могут простираться на расстояния, сравнимые с размером кристалла;

4) объёмные или трёхмерные дефекты.

Причиной образования дефектов в системе любого масштаба является стремление системы к состоянию с минимумом внутренней энергии (состоянию равновесия). С этим связаны различные механизмы диссипации (рассеяния) энергии - как потенциальной внутренней, так и вносимой извне. Каждый структурный уровень системы имеет определённое пороговое значение потока диссипируемой энергии, превышение которого грозит системе разрушением. В случае возникновения такого рода опасности система переходит на новый уровень масштаба и сложности своей структуры (формирование более мощных каналов оттока энергии, создание дополнительной сети свободных поверхностей и т. д.).

При переходе на больший масштабный уровень, кроме существовавших ранее механизмов, добавляются качественно новые, более сложные и эффективные механизмы диссипации энергии, что резко усложняет структурную организацию квантово-механической системы. В случае открытых систем жёсткая необходимость диссипации большого количества энергии может привести к смене самих принципов поведения: от принципа стремления к максимуму энтропии система может перейти к принципу минимума производства энтропии [2]. В этом случае происходит самоорганизация системы и формирование в ней высокоупорядоченных структур, где важную роль играют волновые процессы.

В начале прошлого века научной школой Л.И. Мандельштама было создано новое междисциплинарное направление изучения поведения самоорганизующихся квантово-механических структур, развиваемое в настоящее время как теория нелинейных колебаний. Именно это направление явилось предшествующим теории качественных переходов, описываемых физикой открытых систем, которая органически влилась в современное, более широкое, представление о различных типах организации вещества в природе. А.А.Андронов в своих исследованиях предложил различать два этапа в рассмотрении процессов самоорганизации в нелинейных системах: до 1928 года, т.е. "до того, как была установлена связь нелинейных задач теории колебаний с работами Пуанкаре и Ляпунова...", и второй этап - когда эта связь была установлена.

На основе научных данных сформировался набор наглядных физических представлений, имеющих фундаментальную математическую основу, адекватную нелинейным процессам, происходящим в веществе. Фазовое пространство, в котором интерпретируется решение системы дифференциальных уравнений, "...в теории колебаний теперь перестало быть только математической абстракцией и приобрело высокую степень физической наглядности" [3]. Примеры применения теории нелинейных колебаний при математическом моделировании диссипативных систем в окрестностях точки бифуркации даны в работах [4, 5, 6].

Связь нелинейных колебаний с самоорганизующимися процессами объясняется тем, что самоорганизующимися считаются любые автоколебательные процессы, обусловленные образованием устойчивых незатухающих колебаний независимо от начальных условий [6]. В линейной области колебания всегда носят хаотический характер, а в нелинейной возможны автоколебания (упорядоченные колебания). Автоколебания отвечают условию, при котором отклик системы на внешнее воздействие не пропорционален воздействующему усилию. Эта ситуация математически описывается одними и теми же нелинейными уравнениями независимо от среды и условий, при которых возникают автоколебания.

При соответствующем изменении управляющих параметров и достижении ими в точке бифуркации критических значений нелинейная динамическая система, в виде твёрдого тела, претерпевает так называемый неравновесный фазовый переход - переход от стационарного, к новому, упорядоченному во времени динамическому состоянию.

Д.К. Чернов (1878г.) изучая структуру твёрдого тела указал, что процесс кристаллизации начинается с образования зародышей и продолжается при дальнейшем росте их числа и размеров. Пока образовавшиеся кристаллы растут свободно, они имеют более или менее правильную геометрическую форму. По мере своего роста начинается взаимный конфликт между образовавшимися структурами, что приводит к деформациям и образованию дефектов. Согласно И. Пригожину [6] малые внешние возмущения среды приводят к принципиальным изменениям свойств кристалла в процессе его роста за счет формирования и развития зародышей.

Минимальный размер зародыша, который способен к росту, называется критическим размером зародыша, а сам зародыш устойчивым. К настоящему времени найдены термодинамические соотношения, которые устанавливают функциональную связь между такими величинами, как:

1) работа образования критического зародыша We при кристаллизации из расплава;

2) критического радиуса Re зародыша;

3) поверхность критического зародыша Sе;

4) степень пересыщения при охлаждении расплава.

Однако эти соотношения не позволяют получать численную оценку поименованных выше величин. Причиной этого является то, что данные соотношения включают также параметры зародышей новой фазы, которые определяются внешними факторами среды (начальными условиями формирования). Иначе говоря, нельзя предсказать структуру вещества, из которого состоит критический зародыш новой фазы.

Научно установлено, что структура вещества, образующегося в условиях, далёких от термодинамического равновесия, может быть описана при помощи математического аппарата фрактальной геометрии. Поэтому можно предполагать, что структура вещества, составляющего критический зародыш новой конденсированной фазы, образующейся в процессах кристаллизации, фрактальна и является, по всей видимости, фрактальным кластером.

Вследствие иерархичного строения материи, процесс кристаллизации и рост фрактальных кластеров на начальных этапах имеет ступенчатый характер. Сам термин "критический зародыш" при этом остаётся справедливым, однако физический смысл его приобретает иное значение: скорость роста конденсированных фрактальных кластеров новой фазы остаётся очень малой, пока их структура в процессе роста, а, следовательно и радиус зародышей не достигнут критического состояния.

Таким образом, образование зародышей твёрдой фазы в виде фрактальных кластеров оказывается термодинамически наиболее выгодным процессом и может происходить самопроизвольно [6]. Используя указанную закономерность процесса кристаллизации появляется возможность управления изменениями свойств кристалла в процессе его роста целенаправленно, за счет изменения параметров среды формирующей зародыши, методом имплантации.

Именно метод имплантации зародыша заложен в технологии управления образованием дефектов в кристалле. Технология по управлению образованием дефектов в структурах СБИС, использует открытие "Явление упорядочения структуры кристаллов малыми дозами ионизирующего излучения"[7], разработана авторами статьи. Принцип работы технологии основан на так называемой "квантовой телепортации" электромагнитного излучения и переноса матриц зародышей, приводящий к образованию новой фазы кристалла. Процедура имплантации обеспечивает заранее заданную структуру кристалла в процессе его роста. В соответствии со схемотехническими решениями, заложенными при формировании зародыша фрактального кластера организуется нано-технологическая конструкция квантово-механического электронного устройства, компьютера или средства радиосвязи в одном кристалле[8]. Базисом технологии является принцип двойственности материи.

Квантовая механика убедительно доказала, что любая частица всегда находится в двух состояниях - в состоянии волны и вещественной форме, это же положение распространяется так же на свет, которому приписывается атомистический характер (П.Н.Лебедев, 1900г.) [9,10] и на вещество (эффект Кирлиан). Уникальное свойство вещества пребывать одновременно в двух различных состояниях определяет фундаментальный принцип двойственности материи.

Разработанная авторами технология имеет исторический базис. Ещё в 1935 году А. Эйнштейн совместно с Б. Подольским и Н. Розеном предложил эксперимент по телепортации, если не вещества, то информации. Этот способ сверхсветовой связи получил название "Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена".

Суть парадокса состоит в следующем. Если есть две частицы, которые какое-то время взаимодействуют, образуя единую систему, то с позиций квантовой механики эту связанную систему можно описать некоей волновой функцией. Когда взаимодействие прекращается и частицы разлетаются очень далеко, их по-прежнему будет описывать та же функция, но точное состояние каждой отдельной частицы будет неизвестно, это вытекает из соотношения неопределенностей Гёйзенберга, и только когда одна из них попадает в приёмник, регистрирующий её параметры; у другой появляются (именно появляются, а не становятся известными!) соответствующие характеристики. То есть, возможна мгновенная "пересылка" квантового состояния частицы (в нашем случае зародыша) в кристалл.

Технология телепортации заключается в том, что создаётся некий канал (пока он называется квантовым), по которому предмет А передаёт свои свойства предмету А1, и А1 дублирует по своим параметрам А. Далее А уничтожается, а его абсолютный двойник А1 продолжает существование в выбранном для переброски месте.

Опыты, проведённые учёными Орхусского Университета (Дания) в конце сентября прошлого года, доказали практическую возможность такой процедуры. Учёные добились квантовой (энергетической и информационной) связи между облаками газа, расположенными на значительном расстоянии друг от друга. Генри Эверитт, физик из Центра оборонных исследований в Дареме, Северная Каролина, поясняет, что возможность телепортации базируется на фундаментальных положениях квантовой теории поля.

Научная программа США по квантовой передаче информации в настоящее время состоит из 34 отдельных проектов, в разработке которых принимают участие 21 университет, две многоцелевые лаборатории и три самых засекреченных правительственных агентства. А возглавляет и координирует все работы по данной программе Центр оборонных исследований [11].

В американском журнале Defense News (Новости оборонной промышленности) недавно появилось сообщение о том, что такая система телепортации - мгновенной передачи сообщений - будет готова для практического применения уже в следующем десятилетии.

Описанная в данной статье технология - это лишь элемент проекта под названием "нано-компьютер", научного направления "живые машины". Главной целью всего проекта является создание нано-компьютера, способного выполнять такие действия, которые современный компьютер, работающий по классическому принципу, не сможет выполнять никогда. Построенный на фундаментальном принципе двойственности материи и предложенной авторами технологии квантово-механический компьютер 21 века, будет способен производить множество вычислений одновременно, причём со скоростями, далеко превосходящими скорости, доступные современным компьютерам и вполне возможно позволит выйти на уровень создания квантово-механических вычислительных систем с искусственным интеллектом и разумом.

Литература:
1. Вайнгард У. Введение в физику кристаллизации металлов. М. Изд. Мир. 1967 г. .160 с.
2. Печеный Б.Г. Физико-химические основы регулирования структурных и фазовых превращений в процессах производства и применения битумов. Дисс. д.тд. М. 1985 г.
3. Арнольд В.И. Обыкновенные дифференциальные уравнения. М., 1984 г.
4. Васильев В.А., Романовский Ю.М., Яхно В.Г. Автоволновые процессы. М. Наука. 1987 г. 240 с.
5. Данилов Ю.А., Кадомцев Б.Б. Нелинейные волны: самоорганизация. М. Наука. 1987 г.
6. Пригожин И. От существующего к возникающему. М. Наука. 1985 г. 327 с.
7. Диплом № 173 в реестре открытий РАЕН, авторы открытия И. Чернов, А. Мамонтов, П. Черданцев.
8. В.Н. Ушмодин. "Технология КНИ (SOI) в производстве кремниевых пластин для элементов микро- и нано-электроники методами квантовой микромеханики". "НАЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ГЕОПОЛИТИКА РОССИИ", (федеральное издание),.№3-4(44-45), 2003г.
9. П.Н.Лебедев. Собрание сочинений. М., 1913г.
10. Г.С.Ландсберг. Оптика. 4изд. М., 1957г.(Общий курс физики., т.3.)
11. http://space.dtn.ru/arxiv/arh24.htm 21.6.2001.

Версия для Интернет
Работа представлена доктором технических наук, академиком РАЕН М.Ю.Чекмаревым