История ФТТ и НС

I. Истоки. Профессор Мария Афанасьевна Левитская

Зарождение физики твердого тела в Воронежском государственном университете связано с именем Марии Афанасьевны Левитской, соратницей и коллегой знаменитого академика А. Ф. Иоффе, первой женщины-профессора ВГУ, приглашенной в 1935 году заведовать кафедрой теоретической физики, а затем кафедрой электромагнитных колебаний. В 1961 году последняя стала называться кафедрой физики твердого тела, после того, как от нее отделилось несколько других кафедр, зародившихся в ее недрах, в том числе кафедры оптики и ядерной физики. Почему базовая кафедра стала называться именно кафедрой физики твердого тела? Да потому, что М. А. Левитская вместе А. Ф. Иоффе в 20е – 30е годы стояли у истоков зарождавшейся тогда физики твердого тела, исследуя электромеханические и деформационные свойства классических твердых тел – монокристаллов каменной соли и кварца рентгеновскими методами, которые они освоили в Германии у самого великого В. К. Рентгена.

В документальной книге “Рожденный революцией”, посвященной семидесятилетнему пути Воронежского государственного университета, читаем приведенную на стр. 131 небольшую заметку “Физмат обогащается” профессора А. Щипчинского из университетской газеты “За научные кадры” от 8 марта 1935 года: “Во время поездки в Ленинград мною велись переговоры с профессором М.А. Левитской о ее переезде на работу в Воронежский университет. Левитская работает в оптическом институте в области инфракрасных лучей. Среди физиков Ленинграда она считается авторитетным специалистом в этой области. Ее работы известны не только в Союзе, но и за границей. Переговоры обещают окончиться благополучно. Переехать профессор Левитская обещает летом”. И Мария Афанасьевна

выполнила свое обещание, отдав Воронежскому университету 28 лет жизни и подвижнического труда ученого — экспериментатора.

         Таким образом, 1935 год стал началом развития современных фундаментальных физических направлений и научных физических школ в нашем университете и городе Воронеже. Ведь Мария Афанасьевна получила блестящее образование, сначала в Петербурге на физико-технологическом факультет Высших женских бестужевских курсов, два последних семестра которых заканчивала в Берлинском университете, где специализировалась под научным руководством корифеев физики Макса Планка и Пауля Друде. Затем 1911-1914 годах — стажировки Геттингене и в Голландии.

         Около двадцати лет проработала Мария Афанасьевна в Ленинградском физико-техническом институте, по приглашению его первого директора А.Ф. Иоффе, выполняя вместе с ним первые исследования по физике твердого тела, возглавляла отдел ультракоротких волн. Интересно, что в составе Ученого совета этого института, куда входили ставшие потом знаменитыми на весь мир академики, И.В. Курчатов, А.П. Александров, Н.Н, Семенов, Я.И. Френкель, была только одна женщина — М.А. Левитская.

         Своим главным открытием субмиллиметровых волн она доказала единство электромагнитной природы радиоволн и света в единой шкале электромагнитных колебаний. В 1909 г. в «Журнале Русского Физического Общества» Мария Афанасьевна Левитская опубликовала  первое оригинальное исследование  «Излучение прямолинейного резонатора в области коротких электромагнитных волн».

В начале тридцатых годов за выдающиеся научные достижения без защиты диссертаций была присуждена ученая степень доктора физико-математических наук И.В. Курчатову, а вслед за ним М.А.Левитской.

Когда Мария Афанасьевна вместе с А.Ф. Иоффе приступила к изучению механических свойств кристаллов, Макс Борн уже опубликовал разработанную им общую теорию кристаллических решеток (1916 г.).

Правильно описывающая ряд свойств кристаллов, электростатическая тория Борна вместе с тем не могла объяснить некоторых наблюдаемых явлений. Например, образец из кристаллической каменной соли NaCl разрывается при напряжении 0,4 кг/мм², тогда как по оценкам теории оно должно составлять 200 кг/мм². Согласно этой теории, тот же кристалл должен обладать высокими упругими свойствами независимо от приложенных к нему нагрузок. Между тем, на практике наблюдается переход от упругой деформации к пластической, нередко вызываемой небольшими по величине внешними силами. Ответить на все эти вопросы экспериментаторы могли, лишь заглянув внутрь вещества. Такую возможность физикам- экспериментаторам предоставили открытые в 1895 году Рентгеном знаменитые X- лучи и их дифракция на монокристаллах NaCl, обнаруженная его учениками во главе с Лауэ в 1912 г.

 Как раз примерно в эти годы Мария Афанасьевна (1911-1914 гг.) стажировалась в Гёттингемском университете в Германии, в то время как Абрам Федорович Иоффе работал непосредственно у Рентгена в Мюнхене. Поэтому рентгеновские методы исследования твердого тела оба они получили из первых рук.  Вернувшись в Россию, молодые ученые стали с успехом применять эти методы при исследовании механических свойств кристаллов. Прежде всего, они приступили к выяснению природы и законов пластической деформации на примере NaCl. Снимая лауэграммы с монокристаллов NaCl, испытывающих непрерывное механическое воздействие (сжатие или растяжение) ученые открыли и подробно изучили явления астеризма в виде размножения пятен на лауграмме после прохождения определенного предела нагрузки на кристалл, т.е. предела упругости.

При этом в кристалле возникает пластическая деформация, в результате которой монокристалл подвергается разрушению на отдельные блоки, скользящие по определенной кристаллографической плоскости друг относительно друга.

В своих последующих работах Мария Афанасьевна доказала роль поверхностных микротрещин (дефектов) в уменьшении предела прочности кристаллов по сравнению с теоретической. Уменьшение их числа при растворении водой приводило к увеличению прочности на разрыв в 10-100 раз и приближало к теоретическому пределу. По результатам этих работ в 1924 году в журнале Русского физико-химического общества была опубликована работа А.Ф. Иоффе, М.В. Кирпичевой и М.А. Левитской “Деформация и прочность кристаллов”.

В более поздних работах уже в Воронежском государственном университете в послевоенные годы со своей ученицей Е.А. Кузнецовой Мария Афанасьевна проводила рентгеновские исследования напряжений второго рада в тонких слоях каменной соли (и алюминия), получаемых испарением в вакууме. Также в начале 60-х годов в месте со своими аспиратами Р.Л. Фогельсоном и Н.А. Водопьяновой Мария Афанасьевна создала рентгенографический метод исследования диффузии в металлах. Свое наибольшее развитие этот метод определения коэффициентов диффузии нашел в работах доцента кафедры ФТТ Р.Л. Фогельсона. Полученные им значения коэффициентов диффузии многих металлов вошли в международные справочники Национального Бюро стандартов США.

 Не осталась без внимания Марии Афанасьевны и рентгеновская спектроскопия. К исследованиям в этой области были привлечены аспиранты В.С. Кавецкий, И.И. Капшуков и Э.П. Домашевская.

И уже в Воронеже Мария Афанасьева становится профессором, сначала возглавляет кафедру теоретической физики в 1935 году, а затем создает кафедру электромагнитных колебаний в 1936 году, в недрах которой зародились четыре из десяти ныне существующих кафедр физического факультета: кафедра физики твердого тела, оптики, радиофизики и ядерной физики. Таков был круг научных интересов Марии Афанасьевны.

Но грянула война. Зимой 1941-1942 гг. на старших курсах физмата лекции читали только два человека. Основным лектором была Мария Афанасьевна и во время эвакуации и сразу по возвращению в Воронеж из Елабуги, куда был эвакуирован университет. Среди книг фундаментальной библиотека ВГУ, отобранных фашистами для отправки в Германию из оккупированного Воронежа в 1942 году, был изданный в 1936 году на гектографе курс лекций М.А. Левитской по теории атома.

После войны М.А. Левитская была единственным профессором — доктором физико-математических наук в Воронеже.

15 мая 1945 года на научной сессии ВГУ Мария Афанасьевна делает свой первый послевоенный доклад по излучению теллура.

Прошло еще около десяти лет упорного труда по возрождению физической науки и образования в послевоенном университете.

Читаем записи из дневников М.А. Левитской, хранящихся в фондах воронежского краеведческого музея.

“… За весну и за лето (1954 г.) … я записала все задачи, которые составила для занятий со студентами по рентгеноструктурному анализу. Вышло 155 задач. … все последние месяцы я занята написание курса “Ядерные явления”. Если я его не напишу, студентам не по чему будет готовиться. Только когда я кончу его, я смогу заняться соей работой …”

         Среди студентов, для которых Мария Афанасьевна готовила один из последних спецкурсов по ядерным явлением, была студентка 4-го курса Эля Домашевская, ныне Эвелина Павловна, доктор физико-математических наук, профессор, член Совета АН СССР по физике твердого тела, заместитель председателя одного из методических Советов по университетскому образованию. Она стала заведовать кафедрой физики твердого тела в 1980 году, через 17 лет после того, как с этого поста ушла в бессмертие ее Учитель — Мария Афанасьевна — 7 марта 1963 года.

Еще одна запись в дневнике беспартийного профессора М.А. Левитской от 17 марта 1958 года:

“… Я дала клятву работать для женского освобождения… Права женщине даны социализмом и коммунизмом, но этим вовсе не разрешена моя задача в отношении женщин. Я решила показать, что женщина способна к науке и может кое-что сделать. … Что могла, то сделала”.

М.А.Левитская

“… Указ Президиума Верховного Совета СССР от 7 марта 1960 года”. В ознаменование 50-летия Международного женского дня и отмечая активное участие женщин Советского Союза в коммунистическом строительстве и их заслуги перед Советским государством по воспитанию молодого поколения заслуги перед советским государством по воспитанию молодого поколения, за достижение высоких показателей в труде и плодотворную общественную деятельность, наградить … орденом Трудового Красного Знамени профессора Левитскую Марию Афанасьевну — заведующую кафедрой электромагнитных колебаний Воронежского государственного университета…”

Из газеты «Коммуна» за 9 марта 1960 года

“… Она была разносторонне одаренным человеком. Увлекалась живописью и ваянием, прекрасно играла на фортепьяно, читала художественную литературу на русском, французиком и немецком языках, причем, внимательно следила за новинками. На ее столе, как правило, всегда лежали новый роман, сборник стихов, литературно-художественный журнал. Мария Афанасьевна очень любила животных, никогда не рвала цветов — не хотела портить то, что создала природа. И с особой нежностью относилась к детям”.

из воспоминаний доцента А.М. Мелешиной

… “Физика определяла суть жизненных интересов Марии Афанасьевны, и одна оставалась преданной ей до последнего часа, завещая эту преданность нам, своим ученикам. Начиная с 1983 года, несколько студентов физического факультета будут награждены премией имени М.А. Левитской. Решением совета ВГУ ее имя присвоено большой физической аудитории, на стенах которой в виде монументальной фресковой живописи запечатлен ее образ в окружении учеников, как символ вечного стремления человеческой мысли к поискам истины”…

из статьи проф. Э.П. Домашевской, в газете Воронежский университет за 19 апреля 1983 года

 Таким образом, на кафедре физики твердого тела с самого ее основания утвердились и развивались в качестве основных методов исследования твердых тел и материалов именно рентгеновские методы — рентгеноструктурные и рентгеноспектральные, позволяющие получать данные об атомном строении и электронно-энергетическом спектре вещества соответственно. Рентгеноструктурными исследованиями металлов и сплавов, а затем полупроводников занимались доценты Н. А. Игнатьев, Р. Л. Фогельсон, Н. А. Водопьянова, К. Б. Алейникова. Рентгеноспектральные методы исследования полупроводниковых соединений, начиная с конца 50-х годов прошлого столетия, использовали в своих исследованиях доцент В. С. Кавецкий, будущий декан физического факультета, ассистент И. И. Капшуков и аспирантка М. А. Левитской – Э. П. Домашевская.

Стимулом для роста Воронежской школы исследования электронного строения твердого тела послужило бурное развитие физики полупроводников. С середины прошлого века в связи с открытиями Шоттки выпрямляющих свойств гетероконтакта металл-полупроводник произошел настоящий бум в области синтеза новых полупроводниковых соединений и материалов, пригодных к использованию в различных областях техники, и прежде всего, в электронике и оптоэлектронике. Этого бума не избежал академик А. Ф. Иоффе, возглавлявший несколько десятилетий физико-технический институт АН СССР в Ленинграде.

  В ФТИ были синтезированы и исследованы монокристаллы многочисленных полупроводниковых соединений различных типов A^III B^V, A^IIB^VI, A^IIB^IVC^V/II и других. Большая заслуга в этих исследованиях принадлежит Нине Aлександровне Горюновой, заразившей своим энтузиазмом молодого доцента ВГУ Я.А. Угая, который организовал в Воронеже работу по синтезу и исследованиям нового класса полупроводниковых соединений A^IIB^V, образующихся в результате химического взаимодействия металлов II группы (цинк, кадмий) и неметаллов V группы (фосфор, мышьяк, сурьма). В Воронеже впервые методами рентгеноструктурного анализа были исследованы диаграммы состояния цинк-фосфор, кадмий-фосфор, цинк-сурьма, цинк-мышьяк, кадмий-сурьма, кадмий-мышьяк, определены структуры образующихся многочисленных соединений и обнаружено неизвестное ранее соединение Cd₆P₇ (А.В. Арсенов, К.Б. Алейникова, А.Н. Лукин , В.С. Кавецкий).

В те же годы аспирантка Э. П. Домашевская, занимаясь рентгеноспектральными исследованиями новых полупроводников, получила экспериментальные доказательства переноса заряда от металлов второй и третьей группы к неметаллам пятой группы при образовании ими полупроводниковых соединений типов и Создать карусель Добавьте описание, измерив сдвиги Создать карусель Добавьте описание -линий характеристического рентгеновского спектра элементов в этих соединениях. Полученные результаты были доложены на Создать карусель Добавьте описание всесоюзной конференции по физике полупроводников в январе 1962 года в Ленинграде, и позднее на международной конференции по химической связи в полупроводниках в Минске, на которой присутствовали такие корифеи полупроводниковой науки, как американцы Гудинаф и Музер, француз Сюше и другие.

Эти же результаты были опубликованы в докладах Академии наук СССР, а также в материалах международных конференций, переведенных впоследствии в США. Дело в том, что полученные данные о положительных химсдвигах металлической компоненты и отрицательных химсдвигах на неметаллических ставили точку в споре о механизмах образования химической связи в полупроводниках и неопровержимо обосновывали новую донорно-акцепторную модель за счет неподеленной электронной пары валентных электронов у элементов Создать карусель Добавьте описание группы вместо старой умозрительной Создать карусель Добавьте описание -гибридной модели Музера и Пирсона, при которой на металлической компоненте должен был появляться отрицательный заряд.

II. Наследники Марии Афанасьевны Левитской

С начала 70-х годов центр тяжести научной работы на кафедре смещается в сторону исследований межатомного взаимодействия и электронного строения полупроводников методами ультрамягкой рентгеновской спектроскопии. Это было связано, прежде всего, с приобретением уникального прибора — рентгеновского спектрометра—монохроматора, разработанного в Ленинградском университете А. П. Лукирским, сыном известного академика П. А. Лукирского, соратника и сотрудника А. Ф. Иоффе.

Этот прибор (13й по счету) был построен на экспериментальном заводе НПО «Беревестник» под руководством его генерального директора Н. И. Комяка, земляка и сокурсника Жореса Алферова. Прибор постоянно усовершенствовал в процессе работы ассистент В. А. Терехов, переведя его на безмасляные средства получения высокого вакуума, модернизировав средства регистрации и добившись лучшей в СССР чувствительности прибора. А вообще овладеть методами ультрамягкой рентгеновской спектроскопии, смежной с вакуумным ультрафиолетом, кроме его родного Ленинграда, в тогдашнем СССР смогли только в Киеве, Воронеже, Ростове и Свердловске.

Таким образом, в 70-х годах на кафедре физики твердого тела ВГУ сформировалось направление, сочетающее в себе экспериментальные и вычислительные методы исследования атомного и электронного строения полупроводниковых материалов и природы межатомного взаимодействия в твердых телах и тонких пленках.

Особенности нашего экспериментального подхода к определению природы межатомного взаимодействия в твердых телах состояли в комплексном использовании двух методов: рентгеновской спектроскопии (РС) и рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС). Такое сочетание методов создает уникальную возможность получить информацию о распределении как интегральной плотности состояний валентных электронов, отвечающих за химическую связь, так и локальной парциальной плотности состояний, дающей вклады в интегральную плотность состояний всех валентных электронов с различной симметрией.

Таким образом, рентгеноспектральные исследования мы выполняли на уникальном лабораторном приборе РСМ-500. А рентгеноэлектронные спектры приходилось снимать в Москве, главным образом в лаборатории академика РАН В. И. Нефедова института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН СССР или в лаборатории профессора Ю. А. Тетерина в Курчатовском институте ядерной физики. В этих центрах появились первые в СССР рентгеноэлектронные спектрометры фирм «varian» и «hewlett packard».

Именно благодаря сочетанию двух методов — рентгеноэлектронного и рентгеноспектрального на многочисленных полупроводниковых двойных и тройных соединениях типа A^III B^V, A^IIB^VI, A^IB^V, A^I B^7VII, A^IIB^V, A^IIB^IVC^V2, A^II B^IIIC, A^IIB^IVC^V/II нами были экспериментально обнаружены и теоретически обоснованы неизвестные ранее закономерности взаимодействия d-электронов металлов с s, p-электронами других элементов, носящие резонансный характер и обусловленные взаимным расположением взаимодействующих элементов в периодической системе.

Это взаимодействие фундаментального характера проявляется независимо от сложности состава и природы соединения или сплава и состоит либо в расщеплении s, p-зоны и выталкивании s, p — состояний из d-зоны при Ed = Es, p (резонанс), либо просто в отталкивании s, p — состояний d — состояниями при Ed <> Es, p с одновременным появлением примеси s, p-состояний в d-зоне. Для теоретического описания явления d-s, p резонанса мы первые в России реализовали модифицированный метод ортогонализованных плоских волн, позволяющий рассчитывать зонный спектр соединений с d-металлами. Эти идеи и разработанные на их основе закономерности легли в основание докторской диссертации Э. П. Домашевской, которую она защитила в Академии наук в Киеве в 1979 году.

Позднее резонансный характер взаимодействия f-элементов с s, p-элементами был детально исследован и обобщен в докторской диссертации О. В. Фарберовича. В его работах был предложен подход на основе теории функционала плотности, позволяющий в единой схеме учитывать одновременно как зонный характер состояний f-электронов, так и их сильную локализацию.

В теории функционала плотности электронная плотность p(r )однозначно определяет термодинамические величины многоэлектронной взаимодействующей системы, находящейся во внешнем поле v(r ) причем минимуму полной энергии системы отвечает точная функция p(r ) основного состояния.

В рамках данного универсального подхода были реализованы несколько основных мощных методов расчета зонной структуры, различающихся типом эффективного потенциала: метод ортогонализованных плоских волн (ОПВ), метод присоединенных плоских волн (ППВ), метод функций Грина (ФГ), метод линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО), модифицированный метод ОПВ (МОПВ), который мы трактовали как объединение методов ОПВ и ЛКАО.

Фундаментальные свойства f-s, p и d-s, p — взаимодействия оказались универсальными, и особенности их проявления были обнаружены нами позднее также и в пленочных гетероструктурах: d-металл-полупроводник, полупроводник-диэлектрик, металл-диэлектрик и т. Д. Обнаруженные закономерности послужили нам основой для создания прикладного направления рентгеноспектральных исследований природы межатомного взаимодействия в пленках и гетероструктурах.

Это было связано с зарождением и развитием новой межотраслевой науки, технологии и техники — микроэлектроники. В конце 50-х — начале 60-х годов в Воронеже был создан Воронежский завод полупроводников ВЗПП, на базе которого затем возник гигант электронной промышленности — научно-производственное объединение НПО «Электроника».

ВГУ в лице кафедр электроники (доц. Н. В. Котосонов), физики полупроводников (проф. Н. Г. Нифонтов, а затем профессор В. Ф. Сыноров), физики твердого тела (В. С. Кавецкий, Н. А. Игнатьев, Э. П. Домашевская), неорганической химии (проф. Я. А. Угай) стали готовить кадры для этой бурно развивающейся отрасли по новым специальностям, в том числе по специальности 200. 200 — микроэлектроника и полупроводниковые приборы и 200. 300 — полупроводниковые материалы.

Новые требования времени и научно-технического прогресса заставили перенести центр тяжести исследований с объемных полупроводниковых кристаллов и материалов в область планарных технологий — тонких пленок и тонкопленочных гетероструктур металл-полупроводник (МП) и металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) (докторская диссертация Ю. А. Юракова).

К этому времени (начало 70-х годов) относится получение выдающегося результата на приборе РСМ-500 — обнаружение в спектре парциальной плотности состояний монокристаллов кремния б-образных локализованных максимумов в запрещенной зоне, обусловленных наличием донорных примесей с концентрацией около 10^-4 % (ат).

Лишь через десять лет эти результаты были воспроизведены в США, и то лишь с использованием синхротронного излучения. С этого времени на кафедре стала развиваться физика локализованных состояний, которые играют определяющую роль в электрофизических и оптических свойствах разупорядоченных полупроводников (докторская диссертация В. А. Терехова).

Развиваемый подход стал успешно использоваться нами при исследовании полной локальной и парциальной плотностей состояния атомов в разупорядоченных конденсированных средах: от сильнолегированных до аморфных полупроводников и диэлектриков. Особое место уделяется исследованию локализованных состояний в запрещенной зоне, дающих прямую информацию о природе и количестве дефектов в реальных материалах: сильнолегированных, ионноимплантированных полупроводниках, гидрированном аморфном кремнии и других материалах и гетероструктурах.

III. Нанофизика и нанотехнологии  на кафедре ФТТ

Наноэлектроника зародилась на наших глазах и с нашим участием прежде всего в рамках микроэлектроники. Переход к сверхбольшим интегральным схемам ССБИС и гигантская плотность упаковки активных элементов на единицу площади кристалла подложки стремительно диктовали новые требования к сверхмалым размерам элементов этих схем. Так постепенно в ходе развития новых технологий произошел переход от микронного масштабирования (10^-6м) к нанометровому диапазону (10^-9м) изготовления активных элементов микросхем и появлению новых нанотехнологий для получения новых элементов и материалов. В этих новых искусственных материалах — сверхрешетках, квантовых проводах и квантовых точках — были обнаружены новые «квантованные» физические свойства — квантовый эффект Холла, квантовая электропроводность и т. д.

Кафедре физики твердого тела не пришлось кардинально перестраиваться, потому что мы всегда использовали методы нанофизики — дифракцию электронов и квантов на атомных плоскостях кристалла, расположенных на субнанометровых, ангстремных расстояниях (1А = 0, 1 нм). Кроме того, глубина информативного слоя в методе ультрамягкой рентгеновской спектроскопии, лимитируемой глубиной выхода рентгеновского характеристического излучения большей длины волны ~10 нм также составляет ~ 10-150 нм. Поэтому в своих экспериментальных исследованиях мы постоянно имели дело с нанослоями исследуемого объекта, который мог иметь или объемный или планарный характер. Следует, однако, заметить, что экспериментально мы получаем усредненную информацию от всего нанослоя, имеющего толщину в несколько десятков элементарных ячеек. А вот теоретически удалось расчленить даже одну элементарную ячейку на отдельные слои и изучить особенности основных свойств такого модельного объекта в сравнении с реальным материалом.

Такой подход был реализован в работах С. И. Курганского (докторская диссертация 1996 года), который в концептуальном приближении функционала локальной плотности в рамках вычислительной схемы метода линеаризованных присоединенных плоских волн (ЛППВ) создал единую методику расчета электронной структуры, рентгеновских эмиссионных и фотоэлектронных спектров тонких пленок субнанометровой толщины. Он показал, что структура валентной зоны в металлооксидных пленках высокотемпературных сверхпроводников определяется взаимодействием d-электронов меди с p-электронами кислорода, которая хорошо описывается моделью d-s, p резонанса. Однако, вследствие особенностей кристаллического строения элементарной ячейки этих соединений и изолированности её купратных слоев друг от друга слоями Ba-O эта модель работает изолированно в каждом купратном слое со стехиометрией CuO и CuO₂.

Также в рамках метода функционала локальной спиновой плотности, но с использованием модели «атом в желе» были проведены расчеты кластеров AI и Fe различного размера, содержащих до 130 атомов (докторская диссертация Л. И. Куркиной), которые обнаружили немонотонное изменение электронной структуры при увеличении размера кластера и немонотонную размерную зависимость потенциала ионизации и магнитного момента. Таким образом, было показано, что в агрегатах, содержащих до нескольких десятков и даже сотен атомов, ярко проявляются квантово-размерные эффекты, которые, в основном, и обуславливают уникальные свойства кластеров.

Далее также в рамках теории функционала электронной плотности была разработана эффективная методика расчета электронной структуры и линейного отклика квантовых проводов простых металлов на внешнее электрическое поле. Были обнаружены размерные зависимости потенциала ионизации и ширины заполненной энергетической зоны, имеющие осциллирующий характер. В области поверхностного плазменного резонанса плотность тока осциллирует в фазе с внешним электрическим полем, что свидетельствует о резонансном характере движения электронов.

В экспериментальных исследованиях мы подошли к нанофизике через исследования электронного строения, состава и оптических свойств пористого кремния, который обнаруживает совершенно иные оптические и электрические свойства чем монокристаллический кремний, т.к. является типичным наноматериалом. Прежде всего, он прекрасно люминесцирует в видимой области, изменяя цвета люминесценции от красного до зелено-голубого, в зависимости от размера пор и, следовательно, от размеров нанокристаллов пористого кремния (por-Si), покрытых нанослоями оксидных и аморфных фаз. Для определения сложного фазового состава этого наноматериала нами был разработан алгоритм и создана специальная компьютерная программа для определения компонентного состава сложных многофазных систем, включающих аморфные фазы.

IV. Синхротронные исследования наноматериалов. Сотрудничество с немецкими университетами

Наноструктуры на основе кремния

Дальнейшие исследования пористого кремния наряду с другими наноструктурами продолжились уже с использования синхротронного излучения. В ноябре 2001 года в Берлине был открыт первый Российско-Германский канал на новом Берлинском синхротроне BESSY II и тогда же открыта Совместная Российско-Германская лаборатория.

Начало сотрудничества кафедры ФТТ с немецкими университетами г. Лейпцига и г. Галле относится ко второй половине 20 го века. Первая работа Э. П. Домашевской и Я. А. Угая была опубликована в трудах Лейпцигского университета по результатам первой международной конференции по рентгеновской спектроскопии в 1965 г.
В 70-е годы и 80-е годы в этих университетах проходили стажировку студенты-дипломники кафедры. Среди них нынешние профессора ВГУ Елена Николаевна Ищенко и Екатерина Станиславовна Рембеза.

В 1996 году зав. Каф. ФТТ ВГУ профессор Эвелина Павловна Домашевская провела в г. Воронеже 1-ый Российско-Германский семинар, посвященный 100-летию со дня открытия Рентгеном x — лучей, которые только в двух странах, России и Германии, носят название ретгеновских лучей. Срели приехавших на семинар в Воронеж были профессора из Унивнрситета г. Вюцбурга, где на 100 ранее Вильгельм Конрад Рентген совершил свое великое открытие, будучи ректором Вюцбургского университета, в возрасте 54-х лет. Следующий семинар прошел в Берлине, а третий — в Екатеринбурге в 1999 году, а затем взаимодействие и сотрудничество переместилось на поля Международных конференций по использованию рентгеновских методов и синхроторонного излучения в исслледовании современных многофункциональных материалов.

Синхротронные исследования наноматериалов

В ноябре 2001 года, в результате подвижнического сотрудничества с немецкими коллегами двух женщин—профессоров С. -Петербургского университета, Татьяны Михайловны Зимкиной и Веры Константиновны Адамчук, в Берлине был открыт Российско-Германский канал совместного пользования на новом синхротроне последнего поколения BESSY II (Берлин), в программу исследования которого был включен наш первый проект 2002 года «Исследование особенностей электронного строения и природы фотолюминесценции в пористых материалах и материалах, содержащих квантовые точки, прямозонных и непрямозонных полупроводников (Si, GaP, InP, GaAs)».

С тех пор мы выполнили десятки проектов по исследованию наноматериалов, наноструктур и нанокомпозитов с различными функциональными свойствами: люминесцентными, газочувствительными и магнитными, с использованием синхротронного излучения BESSY II, результаты которых мы докладываем на различных международных конференциях.

Наноструктуры на основе кремния

Уже осенью 2002 года нам удалось выполнить на новом Берлинском синхротроне BESSY II первый проект по исследованию электронного строения наноструктур и наноматериалов путем измерения тонкой структуры спектров отражения синхротронного излучения (СИ) в области L-краев поглощения кремния. Эти спектры отражают распределение плотности состояний в зоне проводимости. Полученные данные об электронном строении зоны проводимости в дополнение к уже имеющимся данным по валентной зоне (данные РСМ-500) позволили предложить модель фотолюминесценции пористого кремния por-Si на основе зона-зонных переходов между уровнями нанокристаллической фазы и оксидных фаз, покрывающих нанокристаллы кремния.

Исследования кремниевых наноструктур с Ge квантовыми точками, так же как и с внедренными кластерами эрбия (были получены в Нижегородском госуниверситете под руководством его покойного ректора А. Ф. Хохлова), показали, что напряжения в поверхностных нанослоях кремния, вызванные квантовыми точками или кластерами, являются причиной появления тонкой структуры спектров вблизи края зоны проводимости и могут приводить к возникновению люминесценции в этих наноструктурах.

Начиная с марта 2004 года активная работа коллектива кафедры ведется с использованием еще одного синхротронного центра SRC университета Висконсин-Мэдисон, расположенному в городке Стоутон, США. К настоящему по результатам успешного выполнения более чем десяти научных проектов на этих синхротронных центрах коллективом кафедры исследовано большое количество перспективных наноматериалов на основе кремния и его соединения. Среди этих материалов нанокристаллы и нанокластеры кремния, нанопорошки кремния, нанослои растянутого кремния, многослойные нанопериодические структуры. Все эти исследования были выполнены командой молодых ученых, аспирантов и студентов, возглавляемой доцентом В.М. Кашкаровым и докторантом С.Ю. Турищевым.

Впервые были обнаружены необычные эффекты взаимодействия сложных наносистем на основе кремния с электромагнитным излучением нанометровых длин волн (синхротронное излучение ультрамягкого рентгеновского диапазона) в результате интерференции и дифракции падающего и отраженного излучений от нанокристаллов кремния или границ раздела многослойных структур.

Мы назвали этот новый эффект — «эффект обращенной интенсивности». Эти эффекты проявляются не только на краях поглощения кремния, полученных на синхротронном излучении с длиной волны, соизмеримой с размерами нанокристаллов или толщиной слоев. Обнаружена предкраевая интерференция синхротронного излучения от нанослоев растянутого кремния определенной толщины в структурах «кремний на изоляторе». Все эти обнаруженные эффекты легли в основу докторской диссертации (2014 г.) молодого ученого Сергея Юрьевича Турищева, который сначала входил в группу воронежских синхротронщиков под руководством В. М. Кашкарова, а затем и возглавил эту группу, в состав которой входят магистранты, аспиранты и молодые сотрудники.

V. Совместная лаборатория с РАН им. Н.С. Курнакова

Совместная лаборатория «Электронное строение твердого тела» Воронежского государственного университета и Института общей и неорганической химии РАН им. Н.С. Курнакова

Создание Совместной лаборатории в 2000 году явилось результатом многолетнего и успешного взаимодействия коллектива сотрудников кафедры физики твердого тела физического факультета ВГУ в рамках научной школы «Атомное и электронное строение твердого тела и наноструктур», возглавляемой профессором Э. П. Домашевской, и коллектива лаборатории «Электронная спектроскопия» Института общей и неорганической химии РАН им. Н. С. Курнакова, возглавляемого академиком РАН Нефедовым Вадимом Ивановичем, одним из ведущих мировых ученых, стоявшим у истоков рентгеновской спектроскопии (РС) и рентгеноэлектронной спектроскопии (РЭС) в СССР и РФ.

С 2002 года активно ведутся исследования в новых областях РС и РЭС с использованием синхротронных источников рентгеновского излучения установок мирового уровня класса «мегасайенс»: в Берлине BESSY II, в Соединенных штатах Америки SRC (Университет Висконсин-Мэдисон), в Японии SPring-8 (Институт Синхротронных исследований, Осака), и в России «КИСИ — Курчатов» («Курчатовский институт», Москва).

С 2015 года лабораторией руководит доктор физико-математических наук Турищев Сергей Юрьевич. Исследовательский коллектив лаборатории включает трех докторов наук, четырех кандидатов наук, научных сотрудников и инженеров-исследователей, при этом более половины составляют молодые ученые в возрасте до 35 лет. Научные исследования включены в учебный процесс кафедры ФТТНС при подготовке обучающихся всех уровней: бакалавров, магистров и аспирантов по всем направлениям подготовки кафедры.

Основные научные направления деятельности Совместной лаборатории вытекают и пересекаются с основными научными направлениями научной школы и кафедры:

1. Атомное и электронное строение твердого тела и наноструктур, функциональных наноматериалов и структур на их основе, включая гибридные структуры, сформированные на основе природных и природоподобных материалов.
2. Синтез функциональных наноматериалов и структур на основе оксидных материалов, гибридных и композитных систем.
3. Рентгеновская и электронная спектроскопия и микроскопия функциональных наноматериалов, включая исследования с применением функционала уникальных установок «мегасайенс» мирового класса.
4. Адсорбционные и фотоэлектронные процессы в оксидных полупроводниках, газовая сенсорика, резистивное переключение, мемристорные свойства в оксидных полупроводниках, взаимосвязь электронно-энергетического спектра с составом, структурой и физико-химическими свойствами материалов.

В качестве организаций-партнеров и индустриальных партнеров реальных секторов экономики выступают научные и производственные коллективы следующих организаций:

АО «Воронежский Завод Полупроводниковых Приборов-Сборка» (г. Воронеж); АО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж); НИЦ «Курчатовский институт» (г. Москва); Московский Государственный Университет им. М. В. Ломоносова (г. Москва); Удмуртский Федеральный Исследовательский центр Уральского Отделения РАН (г. Ижевск); Институт биофизики клетки РАН (г. Пущино); Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта (г. Калининград), Гельмгольц Центр Берлин (Берлин, Германия); Лейбниц Институт Фотонных Технологий (Йена, Германия); Международный центр физики (Доностиа, Испания).

Научно- техническое оборудование лаборатории включает установки магнетронного и реактивного распыления, стенды измерений электрических параметров материалов и структур, оптические спектрометры УФ и видимой области, газосенсорные стенды, установки для электрофизических исследований и импедансометрии.

Лаборатория использует уникальную научную установку «РСМ-500» кафедры ФТТиНС. Лаборатория использует передовую инфраструктуру каналов вывода синхротронных источников излучения BESSY-II, SRC, SPring8, «КИСИ — Курчатов» и др. включая: фотоэлектронные спектрометры высокого разрешения, флуоресцентные детекторы спектроскопии поглощения синхротронного излучения, системы детектирования квантового выхода спектроскопии поглощения синхротронного излучения, фотоэмиссионные электронные микроскопы.

С момента основания коллективом лаборатории выполнено более пятидесяти научно-исследовательских проектов, включая поисковые и прикладные исследования, на региональном, национальном и международном уровне. Опубликовано свыше ста статей в ведущих отечественных и зарубежных изданиях. Результаты научно-исследовательской деятельности ежегодно представляются очно на самых престижным мировых научных форумах. Из наиболее значимых проектов за период с 2015 по 2019 год следует выделить:

1. Проект Российского Научного Фонда (инфраструктурный конкурс Президентской программы исследовательских проектов, (19-72-20180) «Совместимость и трансформация функциональных неорганических наночастиц c культурами клеток в формируемых in vitro гибридных материалах по данным синхротронных исследований реконструкции атомного и электронного строения».
2. Проект Российского Научного Фонда (конкурс Президентской программы исследовательских проектов, 17-72-10287) «Атомное и электронное строение новых функциональных композитных наноструктур на основе широкозонных оксидов олова и гибридных бионаноматериалов при управляемом совмещении с нитевидным кремнием».
3. Проект Немецкого Научного Фонда (deutsche forschungsgemeinschaft) «Исследования атомного и электронного строения поверхности кремниевых наноструктур с использованием синхротронного излучения рентгеновского диапазона» (untersuchungen der atomaren und elektronischen oberflächenstruktur von nanostrukturierten silizium-oberflächen mit synchrotron-röntgenstrahlung).
4. Государственное Задание образовательным организациям Минобрнауки РФ, тема «Синтез функциональных наноструктурированных материалов и прецизионная диагностика атомного и электронного строения, специфики межфазных взаимодействий с применением синхротронного излучения установок «мегасайенс» мирового класса».
5. ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», Соглашение 14. B37. 21. 1272 от 21. 09. 2012 «Атомное, электронное строение и свойства различных микро- и наноформ функциональных сенсорных материалов».
   — Проект Российского Фонда Фундаментальных Исследований (16-02-01167) «Фундаментальные исследования атомного и электронного строения гибридного наноматериала бактериоферритина Dps и структур на его основе».
6. Проект Российского Фонда Фундаментальных Исследований (18-32-01046) «Атомное и электронное строение поверхности и формируемых границ раздела в трекинговых композитных наноструктурах никель-пористый оксид кремния на кремнии».
7. Проект Российского Фонда Фундаментальных Исследований (16-42-360612) «Синтез и модификация, атомное и электронное строение и эволюция свойств нитевидных нанокристаллов SnO2».

VI. Наноструктуры. Совместная лаборатория ВГУ-ФТИ им. А.Ф. Йоффе РАН

Наноструктуры на основе A^IIIB^V

Квантово-размерные структуры A^IIIB^V привлекают серьезное внимание исследователей и технологов. Особенно перспективным оказалось образование самоорганизующихся низкоразмерных полупроводниковых слоев на монокристаллах A^IIIB^V из-за возможности получения пространственного (3D) ограничения электронов в устойчивых (без дислокаций) кластерах, проводимости и высокой эффективностью излучения благодаря малой плотности дефектов.

С использованием СИ мы впервые получили спектры ближней тонкой структуры рентгеновского поглощения в области главного края поглощения фосфора P L23, отражающие локальную плотность состояний в зоне проводимости в наноструктурах с квантовыми точками InP, выращенными на GaAs <100> методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, и в пористых слоях InP, полученных анодным импульсным электрохимическим травлением монокристаллических пластин InP <100>.

Группа молодых аспирантов и студентов, во главе с молодым доктором наук П.В. Серединным (докторская диссертация 2012 года), работая над проблемой согласования параметров кристаллических решеток в гетероструктурах, показала, что в результате распадов эпитаксиальных полупроводниковых твердых растворов AlxGa1-xAs, GaxIn1-xP, InxGa1-xAs, GaxIn1-xAsyP1-y могут самопроизвольно возникать наноструктуры, представляющие сверхструктурные фазы упорядочения с образованием доменной структуры.

Все наноструктуры на основе A^IIIB^V формируются в ФТИ им. А. Ф. Иоффе РАН коллективом учеников Лауреата Нобелевской премии Ж. И. Алферовым, с которым кафедра физики твердого тела имеет многолетние тесные научные контакты.

Совместная лаборатория физики наногетероструктур и полупроводниковых материалов (ВГУ-ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН)

Создана в 2014 году в форме консорциума между Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Воронежский государственный университет» и Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Участниками консорциума являются кафедра «Физики твердого тела и наноструктур» ВГУ и лаборатория «Полупроводниковой люминесценции и инжекционных излучателей» ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

Научные направления, развиваемые в Совместной лаборатории:

1. Фундаментальные исследование особенностей атомного и электронного строения, оптических и электрофизических свойств полупроводниковых гетероструктур на основе A3B5;
2. Моделирование физических процессов в полупроводниковой технологии;
3. Диагностика низкоразмерных и квантово- размерных систем дифрактометрическими и спектроскопическими методами;
4. Разработка фундаментальных основ создания новых биоактивных материалов совпадающих по составу, морфологическим и физико-химическим свойствам с зубной и костной тканью человека;
5. Исследования обменных процессов в твердых тканях человеческого зуба.

Проекты, реализованные в Совместной лаборатории:

1. Грант 16-15-00003-П Российского научного фонда (РНФ) «Разработка эффективных методов превентивной стоматологической помощи за счет нормализации обменных процессов в твердых тканях человеческого зуба in vivo с использованием биомиметических материалов, обладающих высоким реминерализационным потенциалом» — продление (Руководитель Середин П. В., Сроки: 2019-2020)
2. Грант 19-72-10007 Российского научного фонда (РНФ) «Исследование особенностей формирования гибридных полупроводниковых наногетероструктур пониженной размерности на пористом кремнии»
3. Грант 17-75-10046 Российского научного фонда (РНФ) » Разработка основ прецизионной диагностики кариеса зубов разного уровня формирования на основе фундаментальных исследований биогенных образцов и биомиметических модельных сред » (Руководитель Голощапов Д. Л. , Сроки: 2017-2019гг)
4. Грант 16-15-00003 Российского научного фонда (РНФ) «Разработка эффективных методов превентивной стоматологической помощи за счет нормализации обменных процессов в твердых тканях человеческого зуба in vivo с использованием биомиметических материалов, обладающих высоким реминерализационным потенциалом» (Руководитель Середин П. В., Сроки: 2016-2018гг)
5. Грант Президента РФ МД-188. 2017. 2 по государственной поддержке научных исследований молодых российских ученых-докторов наук «Эпитаксиальные гетероструктуры a3b5/por-si с высокими функциональными свойствами: развитие технологии получения и фундаментальные исследования» (Руководитель Середин П. В., Сроки: 2017-2018)
6. Грант РФФИ 16-32-50003 мол_нр «Исследования основных возможностей управляемой самоорганизации, самосборки и сверхструктурирования в эпитаксиальных твердых растворах полупроводников АЗВ5 и их интеграции с кремниевой технологией» ( Руководитель Середин П. В., Сроки: 2016)
7. Проект № 3. 130. 2014/k, на тему: «Развитие физико- технологических подходов формирования и диагностика эпитаксиальных интегрированных aiiibv/si гетероструктур» выполняемой в рамках Проектной части государственного задания ВУЗам РФ 2014-2016 (Руководитель Середин П. В., Сроки: 2014-2016)

Наноразмерные нитевидные монокристаллы оксидных материалов

В современной в технике и технологии все чаще используются системы и устройства, созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий. Характеристики таких систем кардинальным образом отличаются от показателей макроскопич аналогов, созданных по традиционным технологиям. Одним из примеров таких материалов являются оксидные нанонити.

Уникальные физические свойства нанонитей определяются несколькими факторами: наномасштабом кристаллитов; монокристаллическим строением с малой степенью дефектности; чрезвычайно выраженной анизотропией кристаллов.

Начиная с 2005 года на кафедре ФТТ и НС в группе СНС Станислава Викторовича Рябцева развивается новое направление, связанное с физико-химическими исследованиями нитевидных материалов.

В настоящее время газотранспортным методом синтезированы и исследованы нитевидные окислы SnO2, ZnO, In2O3, MoO3 и др.

Изменяя параметры газотранспортного синтеза можно получить и другие кристаллические формы оксидных материалов.

Полученные нитевидные материалы проявляют высочайшую чувствительность к адсорбции целого ряда газов. На их основе были разработаны высококачественные твердотельные газовые сенсоры.

Объединение нескольких сенсоров (рецепторов) с различной селективностью в общее устройство с соответствующей обработкой данных позволило создать лабораторный макет прибора, т.н. «электронный нос», который, в определенном смысле, является аналогом человеческого органа обоняния.

В настоящее время на кафедре ФТТ и НС, в лаборатории «Электронное строение твердого тела и наноструктур», под руководством заведующего лабораторией доктора наук С.В. Рябцева (докторская диссертация 2011 года) проводится разработка аналогичных приборов для диагностики содержания различных газов в составе воздушной среды.

ИТОГИ

 Экспериментальные и теоретические исследования наноматериалов и наноструктур на кафедре физики твердого тела послужили фундаментальной базой для разработки спецкурсов по нанофизике и наноматериалам и открытия новой специальности «Нанотехнология в электронике» на физическом факультете ВГУ в июне 2003 года. В состав учебно-методического Совета по новому направлению подготовки дипломированных специалистов «Нанотехнология» под председательством Ж. И. Алферова была включена заведующая кафедрой физики твердого тела ВГУ, Заслуженный деятель науки РФ, профессор Э. П. Домашевская.

В результате в настоящее время  кадровый состав кафедры включает 11 преподавателей, в числе которых 1 академик РАЕН и 1член-корр. РАЕН,

7 докторов наук и 5 кандидатов наук

Основные научные направления

• Атомное и электронное строение материалов в конденсированном состоянии, гетеро — и наноструктур, включая квантовые ямы, квантовые нити и квантовые точки.
• Синхротронные исследования электронно-энергетических спектров наноструктур.
• Моделирование зонной структуры, плотности состояний, рентгеновских, фотоэлектронных и оптических спектров наноразмерных структур.
• Исследования оптических, электрофизических и магнитных свойств полупроводниковых гетероструктур.
• Cенсорные свойства широкозонных полупроводниковых оксидов различных наноформ.
• Разработка технологий биосовместимых наноматериалов.

Крупные научные или образовательные проекты

• Общественно-профессиональная аккредитация всех направлений обучения кафедры: Европейская ассоциация инженерного образования (Евросоюз), ГК «Роснано» (РФ), Ассоциация Инженерных кадров России (РФ).
• Шесть проектов по Президентским Грантам молодым ученым.
• Проект в рамках федеральной целевой программы с индустриальным партнером АО Микрон.
• Три проекта по Президентской программе Российского Научного Фонда, включая инфраструктурный с Национальным Исследовательским Центром «Курчатовский институт» и установку мегасайенс – синхротронный центр Курчатов.
• Междисциплинарный проект Российского Научного Фонда.
• Свыше десяти проектов Российского фонда фундаментальных исследований, большинство из которых молодежные проекты.
• Более тридцати выполненных научно-исследовательских проектов на установках класса «мегасайенс» мирового уровня в России, Германии, США, Японии и Австралии.

Места трудоустройства за последние 5 лет

• Гельмгольц Центр Берлин (Германия)
• АГ Сименс (Германия)
• Физико-технический институт им А.Ф. Иоффе РАН
• АО НИИ Электронной техники
• АО ВЗПП «Микрон»
• АО ВЗПП  «Сборка»
• АО «КТЦ ЭЛЕКТРОНИКА»
• АО «РИФ»
• НИИ «ВЕГА»
• АО «Сельмаш»
• АО НИИ Полупроводникового машиностроения
• Концерн «Созвездие»