Научная работа студентов нашей специализации проходит в лабораториях НИИЯФ МГУ, ведущих лабораториях институтов Академии наук, Объединенного Института Ядерных Исследований. Основными направлениями исследований являются

• Физика ион-атомных взаимодействий
• Физика взаимодействия атомарных и молекулярных ионов с поверхностью
• Физика радиационно-индуцированного формирования и свойства метастабильных структур
• Физика поверхности и границ раздела тонкослойных структур.

   Приведем лишь некоторые примеры.

Физика формирования метастабильных структур. С помощью неравновесных процессов, инициируемых ионными и лазерными пучками можно синтезировать вещество в метастабильном состоянии. Метастабильные фазы энергетически не самые выгодные и должны распадаться, однако, кинетические барьеры препятствуют этому распаду настолько, что структура спокойно будет функционировать в реальных условиях в течение столетий. В отличие от традиционных термических методов, например, метода быстрого охлаждения, в радиационно-индуцированных процессах достигаются значительно более высокие скорости охлаждения, т.е. реализуются процессы более неравновесные. При этом не обязательно подвергать воздействию весь образец - можно трансформировать определенные слои на заранее выбранных участках поверхности (локальность воздействия). Исследование ранних стадий формирования, кинетики и термодинамики радиационно-индуцированного формирования метастабильных фаз перспективных материалов - весьма интересная физическая и перспективная в прикладном отношении задача.
   Приведем один из наиболее простых примеров. Одной из глобальных проблем, с которыми человечество борется издревле, является коррозия металлов. Традиционным способом борьбы стало - использование сплавов с достаточно дорогостоящими добавками: Cr, Ni, Mo, и т.д.. Другим путем, существенно более дешевым, мог бы быть путь использования покрытий на основе нитридов или карбидов. Однако, стандартные процедуры формирования таких слоев сталкивается с рядом проблем (образование пор и др.), что и привело к отказу от распространения этих методов. В последнее время были предложены новые методы формирования защитных антикоррозионных покрытий с применением ионных пучков. При этом в приповерхностном слое образуется практически новый материал, зачастую обладающий необычными свойствами, не только коррозионной стойкости, но и механическими, электрическими и магнитными. Исследование ранних стадий формирования, кинетики, энергетики формирования нитридов, оксидов и карбидов при взаимодействии газов с поверхностью эпитаксиального, поликристаллического и нанокристаллического металла, как чистого, так и сплавов, является важной задачей, имеющей безусловный фундаментальный и прикладной интерес. Полученные в настоящее время соединения проявляют весьма интересные свойства. Например, некоторые фазы нитрида железа имеют весьма высокие магнитные моменты, низкую коэрцитивную силу при высоких антикоррозионных и механических свойствах.

Физика поверхности, тонкопленочных структур и границ раздела. Этот раздел физики представлен на специализации исследованиями в области физики ионного и лазерного распыления, физики формирования тонкослойных структур методами ионной имплантации, совместного атомного и ионного осаждения, молекулярно-лучевой эпитаксии. Он охватывает большой круг достаточно сложных процессов перераспределения компонентов в твердой фазе, процессов формирования наиболее благоприятных, с энергетической точки зрения, и кинематически доступных структур.
   Один пример: синергетика двух- и многопучковых процессов. В синтезе новых материалов получают все большее распространение многопучковые методы. Среди них - ионно-атомное осаждение, в котором на подложку осаждается термически испаряемый материал, например Fe, и, одновременно, подложка бомбардируется потоком низкоэнергетичных ионов, например N⁺. Другой пример - молекулярно-лучевое эпитаксиальное со-осаждение, в котором на поверхность одновременно испаряется два или более материала из независимых источников. Практически во всех случаях со-осаждаемые атомы или молекулы, не говоря уже об ионах обладают высокой кинетической энергией, достаточной для преодоления кинетических барьеров для реакций, недоступных при традиционных методах роста тонкопленочных структур. В результате, формируется структура со свойствами, необычными для синтеза в равновесных условиях.
   Другой пример: синергетика процессов, обуславливающих перераспределение имплантированных атомов при кратковременном высокотемпературном отжиге в присутствии сил со стороны поверхности и границ радела тонкая пленка/матрица кристалла. Динамика сил на границе раздела (интерфейсе) с изменением температурного режима и других контролируемых внешних условий становится важнейшим фактором при формировании многослойных низкоразмерных электронных и магнитных структур, полевых транзисторных структур в ультра-больших интегральных схемах, лазерных полупроводниковых структурах, ультра-больших магнитных носителей информации, ультравысокочастотных магнитных индукторах и других современных и перспективных технологиях следующего столетия.

Сегрегация на поверхности и селективное распыление сплавов и соединений. Экспериментальные наблюдения свидетельствуют о неадекватности существующей теории распыления при исследовании ионного распыления сплавов и соединений. Открытым остается вопрос - в какой степени поверхностная сегрегация, т.е. “обогащение” поверхности каким-либо элементом в процессе ионной бомбардировки, обуславливает несоответствие теории экспериментальным результатам? Какова роль других механизмов в таком несоответствии? Исследования, проводимые в НИИЯФ и на физическом факультете МГУ по физике и механизмам ионного распыления высоко оцениваются в международном сообществе. Значительный импульс эти исследования получат с запуском в НИИЯФ МГУ уникальной высокоразрешающей установки по рассеянию ионов низких и средних энергий (Medium-Energy Ion Scattering -MEIS).

Физика ионно-атомных взаимодействий является важнейшей сферой наших знаний, отправной точкой для предсказаний различных явлений, возникающих по мере проникновения ионов в вещество. Процесс столкновения ионов с атомами среды сопровождается обменом между ними энергией, импульсом, электронами, квантами фотонов а также квантами коллективных возбуждений среды. Расчет процесса столкновения с достаточно полным учетом этого обмена является нерешенной задачей даже в случае бинарных соударений, не говоря уже об описании каскада столкновений в твердом теле. Поэтому важнейшей является разработка различных приближений, адекватно соответствующих экспериментально исследуемому процессу. Школа НИИЯФ МГУ является в России одной из наиболее квалифицированный в этом направлении, имеет высокий международный авторитет. Существенным подкреплением экспериментальных исследований будет запуск уникальной установки MEIS, которая имеет возможность детектировать рассеянные частицы с высоким разрешением по энергии, заряду и углу.
   Весьма важную информацию о физике ион-атомных столкновений поставляют измерения угловой зависимости потерь энергии ионов, прошедших через тонкую фольгу, в частности, новая информация о вкладе внутренних оболочек в потери энергии движущихся в среде ионов, о поляризации среды при взаимодействии с электронной подсистемой твердого тела, об интерференции процессов обмена зарядами и энергией.

  Интегрированность в мировое научное сообщество - одна из особенностей специализации. Все перечисленные и большинство других не упомянутых здесь работ проводятся в тесном сотрудничестве с рядом лабораторий в России (НИИЯФ МГУ, Физический факультет МГУ, МИФИ, Физико-Технологический Институт РАН, Институт Кристаллографии РАН, Объединенный Институт Ядерных Исследований), Голландии (Гронингенский и Утрехтский университеты) и Дании (Орхусский университет), Германии, Японии и США. Основой такого сотрудничества являются совместные проекты и гранты. В рамках совместных проектов, в ближайшее время из Голландии будут поставлены две уникальных установки. Одна из них - уже упоминавшаяся установка по исследованию поверхности методом рассеяния ионов низких и средних энергий - MEIS, обладающая сверхвысоким разрешением по энергии при одновременной возможности регистрации зарядовых состояний и угловых зависимостей рассеянных ионов. Аналогов такой установки в России нет. Другая установка - установка по формированию нитридных слоев термохимическим методом. В мире имеется только одна такая установка - в Гронингенском университете, вторая будет функционировать в НИИЯФ МГУ.
   Развиваются многолетние связи с японскими физиками. В течение уже 15 лет раз в два года проходят Российско-Японские симпозиумы по физике взаимодействия ионов с кристаллами, попеременно в России и Японии. Организатором симпозиумов с российской стороны является НИИЯФ МГУ. Очередной симпозиум состоится в октябре этого года в Японии.
   Творческие связи со многими коллективами в СНГ не потеряны. НИИЯФ МГУ как и прежде является центром притяжения для физиков, работающих в области физики взаимодействия ионов с веществом. Несмотря на тяжелое положение в науке, как и прежде НИИЯФ МГУ проводит ежегодные конференции, имеющие уже 30-летнюю историю, на которые съезжаются специалисты этой области из многих государств бывшего СССР.

  Учебная программа для студентов, выбравших нашу специализацию, интегрирует лучшие черты университетской подготовки на физическом факультете и современные тенденции в области неравновесных процессов и физического материаловедения. Мы стремимся дать студентам достаточно широкое образование, подготовив их к мультидисциплинарным исследованиям на стыке радиационной физики твердого тела, химии твердого тела и материаловедения. Это вторая особенность специализации. Программа включает многосеместровые курсы по физике твердого тела и фазовым превращениям, по физике взаимодействия ионов и излучений с веществом, основам квантовой химии, компьютерному моделированию и методике эксперимента. В рамках стандартной учебной нагрузки на физическом факультете, помимо курсов, читаемых сотрудниками НИИЯФ, участвующими в работе специализации, наши студенты слушают курсы по программе, читаемые на других кафедрах физического факультета. За это содействие сотрудникам физического факультета отдельное большое спасибо.

   Весьма полезным и перспективным путем подачи студентам новейшего научного материала, на наш взгляд, могло бы стать их участие в Школах по избранным вопросам физики. Так в конце августа-начале сентября прошла VIII Школа по нейтронной физики, на которой возможности нейтронно-физических исследований были прекрасно проиллюстрированы исследованиями в самых различных областях: высокотемпературной сверхпроводимости, фулеренов и фулеритов, биологии и т.д. Школа была посвящена 90-летию со дня рождения лауреата Нобелевской премии академика И.М. Франка, внесшего неоценимый вклад в развитие физики нейтронов и нейтронных методов в физике твердого тела. Студенты нашей специализации принимали участие в качестве слушателей Школы. Лекторами же были ведущие ученые, среди которых немало было академиков и членов-корреспондентов РАН.

Профессор А.Ф. Тулинов

Д.ф.-м.н.,внс, Чеченин Н.Г.