2016. július: portré, jegyzet, tudomány, agykutatás, genomika, nanotechnológia, egyetem, építés, innováció, gépipar, kiállítás/konferencia, fenntarthatóság, hulladékgazdálkodás, zöldkörnyezet, it

Önszerveződő nano­struktúrák molekulasugár-epitaxiával

A japán, olasz és magyar résztvevők együttműködésén alapuló nanostruktúrás kutatási projekt (Concer-Japan ERA-NET FemtoTera [NKFIH-OTKA-NN114457]) vezető kutatója magyar részről Nemcsics Ákos, az Óbudai Egyetem Mikroelektronikai és Technológiai Intézetének (ÓE-KVK-MTI) professzora. Vele beszélgettünk az eredmények és ezek hazai hozadéka kapcsán. A projekt a terahertzes sugárzás gene­rá­lását GaAs alapú nanostruktúra-komplexek segítségével célozza megvalósítani. E nanostruktúra-komplexek előállítása molekulasugár-epitaxiás eljárással történik. Az alábbiakban szó lesz e kulcsfontosságú technikáról és hazai lehetőségeiről is.


Először erről a fontos technikáról, illetve berendezésről kérdezem. Mi a molekulasugár-epitaxia, és miért kulcsfontosságú a szerepe?

– Valóban az eljárás kulcsfontosságú része a projektünknek. Ezzel az eljárással lehet kézben tartható módon nanostruktúrákat elő­állítani. Ráadásul a berendezéssel a növekedést in situ meg is lehet figyelni. Az eljárás atomi pontosságú kristálynövesztést tesz lehetővé. A növesztést önszerveződő módon csináljuk, mivel a nanostruktúrák előállításánál kevéssé „kifizetődő” és ritkán alkalmazható a mikroelektronikából ismert direkt „megmunkálási” technológia. Az adott rendszerben inherensen meglévő kormányzó erőket használjuk ki a tervezett nanostruktúra előállítására. Ez azt jelenti, hogy a növesztés körülményeit úgy állítjuk be, hogy az növekedjen, amit mi szeretnénk. Természetesen ezt a fázist sok-sok kutatómunka kell, hogy megelőzze. Jelen esetben a nanostruktúrákat egy teljesen új technikával, az ún. csepp-epitaxiával hozzuk létre. (Ennek a növekedésfolyamatai még jórészt megértésre várnak.) A mi feladatunk a projekt keretében a növekedéskinetika feltérképezése, megértése, melyet MFA-s (MTA Energia­tudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet – a szerk.) kollégákkal együttműködve végzünk. Itt kell név szerint megemlíteni Tóth Lajos kollégámat, akivel régi és nagyon gyümölcsöző az együttműködésünk.

Amint az érzékelhető, az eljárás ismerete elengedhetetlen a kinetika feltérképezéséhez, megértéséhez. Honnan szerzett annyi tapasztalatot, hogy ez lett a magyar fél feladata a projektben?

– Kollégáimmal már az MFA jogelődjében (MTA Műszaki Fizikai Kutatóintézet) foglalkoztunk GaAs és rokon félvezető anyagok epitaxiális növesztésével és a keletkezett rétegstruktúrák vizsgálatával. Az epitaxiás eljárás egyfajta kristálynövesztés, mellyel vékonyrétegek, nanostruktúrák állíthatók elő. Az epitaxiának több módja lehetséges, ezek egyike a molekulasugár-epitaxia. Ez a technika – a hozzá tartozó berendezés igen magas ára miatt – hazánkban nem volt elérhető. Az 1990-es évek elején néhány évig a Kieli Egyetem Kísérleti Fizikai Intézetében dolgozhattam egy ilyen berendezéssel. Ez a kutatómunka alapozta meg az elköteleződésemet az MBE (molecular beam epitaxy – a szerk.) iránt. Ezt követően később több MBE laborban is jártam, illetve dolgoztam több hónapot.

Az MBE miben különbözik más eljárásoktól?

– Mint említettem, a dolog nem volt előzmény nélküli. Kutatóintézetünkben nagyon erős volt a III-V anyagok epitaxiája. Különböző epitaxiás berendezéseink (gőzfázisú, folyadékfázisú) voltak, de MBE sajnos nem volt. Az MBE nemcsak egy UHV (Ultra-High Vacuum; ultranagy vákuum – a szerk.) terű technológia, hanem a vizsgálat lehetősége is benne van. Tehát egy komplett kutatólaboratórium. A növekedés nagyon precízen szabályozható, és a növekedő felület elektronsugaras technikával in situ meg is figyelhető. Tehát lehetőségünk van arra, hogy a növesztés időbeli lefolyásáról információkat szerezzünk, esetleg növesztés közben is korrigálhassunk a paramétereken. Már akkor lehetett tudni, hogy az MBE a jövő technológiája lesz. Gondolkodtam, hogy hogyan lehetne egy ilyen berendezésre szert tenni, mert az ára a kiépítéstől függően több száz millió forint. Pályázatokkal próbálkoztam, sajnos, sikertelenül.

Mi indította arra, hogy egy ilyen berendezést próbáljon beszerezni?

– A gondolat a kieli kutatómunka során született. Abban az időben teljesen általános volt az arzénháttér melletti struktúranövesztés. Amikor már elegendő tapasztalatot szereztem a területen, felvetettem a kieli kollégáknak, hogy csináljunk egy arzénháttér nélküli kísérletet. Amikor az ember külföldön dolgozik, általában nem kap szabad kezet a kísérletezésben. Sajnos én sem kaptam meg a jóváhagyást, arra való hivatkozással, hogy ez a próbálkozás biztosan kárba vész. Ekkor fogalmazódott meg bennem először, hogy kell egy hazai berendezés, hogy szabadon kísérletezhessünk. Itt jegyzem meg, hogy a nem engedélyezett kísérlet esetleg elvezethetett volna bennünket a – mostani japán projektünk alapjául szolgáló – csepp-epitaxiához. Ugyanis a csepp-epitaxiának is ez a növesztési mód az alapja. Körülbelül egy évvel később Koguchi Nobuyuki japán kutató és munkatársai publikálták ez irányú eredményeiket, amit ma a csepp-epitaxia kiinduló műveként idézünk. A munka jelentőségét csak több mint egy évtized múlva fedezték fel. Ekkor indult „hódító” útjára a csepp-epitaxia. Nem sokkal az említett publikáció megjelenése után egy konferencián volt szerencsém találkozni és beszélgetni Koguchi professzorral. Ő már akkor tisztában volt az eredmény jelentőségével.

Sikerült-e, illetve hogyan sikerült az álmot megvalósítani, már ami az MBE berendezést illeti?

– A berendezéshez egy véletlen során jutottunk. A Kieli Egyetem a régi MBE helyett egy másik berendezést vett, és a régit alkatrésznek az egyetem pincéjében akarták elhelyezni. Aztán kiderült, hogy a pince levegője túl nyirkos a hosszú távú tároláshoz. Ekkor elsőként engem kérdeztek meg, hogy igényt tartunk-e egy ilyen berendezésre. Annak idején nemcsak használtam ezt a berendezést, de több fejlesztésben is aktívan részt vettem. Tehát jól ismertem a berendezést. Nagyon megörültem az ajánlatnak. A berendezést ingyen adták, de néhány egységet átadás előtt sajnos leszereltek róla. Hazaszállítás után az egyetemünk jogelődje (a Budapesti Műszaki Főiskola) és az MTA-MFA (jelenleg MTA-EK-MFA) közötti megállapodás alapján létrehoztunk egy MBE labort csillebérci telephellyel.

A berendezés a zsilipkamra felől
Hogyan sikerült a hiányzó alkatrészeket pótolni?

– Nagy elánnal fogtunk neki a laborépítésnek. Kollégák és hallgatók bevonásával folyt a munka. Egyetemünk és jogelődje a szakképzési alap terhére több millió forintot invesztált a fejlesztésbe. Ebből a pénzből a hiányzó komponensek nagy részét beszereztük. Mint már a beszélgetésünk elején utaltam rá, a növesztés során lehetőség van az in situ megfigyelésre és a növesztés szabályozására, ezért egy robusztus szabályzórendszert is építettünk a berendezéshez. A laborfejlesztési munkákban nagyon sok hallgató vett részt. Nemcsak a mi hallgatóink, hanem voltak hallgatók Németországból és Svájcból is. Tíznél több szakdolgozat, valamint sok publikáció is született e munka során. Igazi sikertörténetként könyvelhető el ez az időszak. A hallgatók is motiváltabbak, ha high-tech technológiához kapcsolódóan szerzik meg a mérnöki ismereteiket. Itt kell megemlítenem Tényi V. Gusztáv kollégámat, aki nemcsak szakmailag vett részt a munkákban, de igen jó pedagógiai érzékkel kiváló hallgatókat irányított erre a területre. A nem egyetemi kollégák közül név szerint említendő Réti István, Harmat Péter, Csík Attila, akik sokat tettek az ügy érdekében.

A berendezéshez tartozó vezérlőelektronika
Hogyan tovább?

– A szakképzési támogatás megszűnése sajnos megtorpanást hozott a mi munkánkban is, de nem adjuk fel. A munka során egyetemünkön kialakult egy kutatókból, mérnökökből álló, az MBE iránt elkötelezett csoport, melyet számos érdeklődő hallgató is erősít. Ez a hazai viszonylatban unikális, ugyanakkor kis költségvetésű, kutatóberendezés és a hozzá kötődő team jó alap arra, hogy a jelenleg futó projekthez hasonló kutatási együttműködésekben eredményesen vehessünk részt. Természetesen a munkánk az együttműködő intézmények vezetésének támogatása nélkül nem jutott volna ebbe a stádiumba – itt kell megemlíteni (ábécésorrendben) Bársony István (MFA), Lendvay Marianna (ÓE-MTI) és a korábbi, illetve jelenlegi dékánunk, Turmezei Péter, illetve Vajda István (ÓE-KVK) nevét –, melyért ezúton is köszönetet kell mondjak.•

 
Innotéka