Проект докторанта НУ будет способствовать созданию новой электроники

Напомним, что с 6 апреля все учебные заведения перешли на дистанционное обучение. Назарбаев Университет организовал обязательную защиту диссертационных работ докторантов посредством онлайн ресурсов. 

Айдар Кемелбай, докторант Школы инженерии и цифровых наук НУ, стал одним из тех, кто успешно защитил свою докторскую диссертацию на тему «Синтез и интеграция одномерных и двумерных материалов для новейших наномасштабных приборов» в режиме реального времени.

— В Назарбаев Университете я начал работать сразу после окончания магистратуры в ETH Zurich (Швейцарский федеральный институт технологий, Цюрих) в 2014 году. Когда в 2015 году объявили об открытии программы докторантуры в Школе инженерии (ныне SEDS), я вошел в число первой когорты PhD студентов. После недавней защиты диссертации я продолжаю работать в Назарбаев Университете под руководством Профессора Тихонова из Школы естественных, социальных и гуманитарных наук (SSH).

Сложно ли было защищать диссертацию онлайн?

Особых сложностей с онлайн защитой у меня не было, но было немного странно докладывать «в экран монитора», поскольку выступление перед живой публикой для меня – это  более привычный формат.

В своей работе вы исследовали вопросы, связанные с повышением эффективности современных электронных приборов. За счет чего будет достигаться такой результат?  Не могли бы Вы рассказать об этом подробнее?

Основной задачей моей докторской диссертации было изучение синтеза новейших наноматериалов и создание электронных приборов на их основе. В частности, мы работаем над производством транзисторов с эффектом отрицательной емкости. Транзистор – это основной структурный элемент в процессорах. В современном смартфоне насчитываются миллиарды наномасштабных транзисторов на чипе размером всего 1 на 1 см. Каждый из них потребляет энергию, а также выделяет тепло. Суммарно это получаются огромные цифры, особенно если учесть количество используемой электроники в мире. Эффект отрицательной емкости, над которым мы работаем, позволит значительно повысить эффективность транзисторов, одновременно с этим снижая их энергопотребление и тепловыделение. Данный эффект был теоретически предсказан и описан Львом Ландау еще 80 лет назад, однако, до нашего времени его экспериментальная демонстрация оставалась невозможной в связи с отсутствием необходимого высокоточного измерительного оборудования. Сегодня интерес к этому эффекту как никогда огромный. Его можно косвенно наблюдать в различных материалах, а недавно он был измерен напрямую двумя группами ученых из США и Германии. В рамках моей диссертации мы синтезировали материалы для реализации транзисторов с эффектом отрицательной емкости. На следующем этапе мы планируем тестировать полученные материалы в реальных электронных приборах.

В целом, за время работы над диссертацией мы опубликовали две статьи по моей теме исследований и получили несколько грантов на их финансирование. В том числе два гранта от Департамента энергетики США, которые были выделены на проведение наших экспериментов в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США). Сегодня мы переносим опыт работы в этой лаборатории в Назарбаев Университет и активно участвуем в создании нанотехнологической лаборатории и ее оснащении оборудованием. 

Ваша разработка поможет ускорить работу наших гаджетов, компьютеров? 

Наша разработка — одна из многих других работ, которая на один шаг  продвигает развитие науки и технологий. Возможно конкретно наши разработки и не войдут в гаджеты будущего, но результаты наших экспериментов и тысячи других работ совместно приведут к улучшению работы гаджетов и к созданию новой электроники. Наша основная задача в том, чтобы такая электроника — мобильные телефоны, компьютеры и прочее — работали намного быстрее, но при этом потребляли меньше энергии.

В работе над какими научными проектами вы еще принимали участие?   

В рамках работы над диссертацией, мы работали и над рядом других интересных проектов. Так, под руководством Dr. Kaikanov (SSH) мы проводили эксперименты на недавно запущенном в НУ ускорителе частиц INURA. Этот ускоритель позволяет облучать материалы и производить их быстрый нагрев. Температура образца во время облучения растет со скоростью нескольких миллиардов градусов в секунду. Это конечно же не означает, что можно достигнуть такой высокой температуры, однако, технологически релевантных значений, скажем 1000 градусов, можно достигнуть за очень короткое время – одну десятимиллионную секунды. Используя возможность сверхбыстрого нагрева, нам удается добиться кристаллизации и других эффектов в наноматериалах, нанесенных на подложки, которые в обычных условиях не могут быть подвержены высоким температурам, например, полимеры. За счет сверхбыстрого нагрева же, эти материалы не успевают “почувствовать” тепло, но мы успеваем произвести другие необходимые нам модификации их физических свойств без деградации подложки. В дальнейшем эта технология может быть использована, к примеру, при создании гибкой, носимой электроники. Wearable electronics – это активно развивающееся направление. Самым простым примером такой электроники являются умные часы. Однако, сегодня наука работает над созданием более сложных девайсов, например сенсоров, которые 24/7 записывают жизненно важные показатели (давление, пульс, температура) или сенсоры, которые оповещают о судорогах и т.д. Для удобства ношения таких приборов, наноматериалы, считывающие сигналы, должны быть нанесены на полимеры. Технологии, разрабатывающиеся на ускорителе в Назарбаев Университете, предоставляют еще один инструмент для создания и модификации таких наноматериалов.

 В чем была основная сложность и основное преимущество при работе над диссертацией? 

Основная сложность заключалась в отсутствии некоторого оборудования в первые годы работы. Сегодня мы смогли оснастить лабораторию необходимым оборудованием и продолжаем улучшать нанотехнологическую инфраструктуру совместно с другими группами и подразделениями Назарбаев Университета.

Что же касается преимущества – считаю, что сильная и поддерживающая тебя научная группа – это залог успеха любой работы, и мне с этим сильно повезло. Конечно же, диссертация не была бы успешной без помощи научных руководителей – Dr. Tevye Kuykendall (Berkeley Lab), Prof. Alexander Tikhonov (NU), Dr. Marat Kaikanov (NU). И я выражаю им огромную благодарность. Также хочу поблагодарить мою семью за всестороннюю поддержку на протяжении всех этих лет.

Можете поделиться Вашими дальнейшими планами?

В будущем я планирую продолжить текущие исследования и начать новые проекты. Некоторые идеи и первые результаты в этом плане у нас уже есть. Ускоритель, вкупе с другой создаваемой научной инфраструктурой, как мне кажется, открывают весьма интересные возможности и дают старт зарождению новых увлекательных идей и проектов, которые хотелось бы в дальнейшем успешно реализовать.

На что, по Вашему мнению, необходимо обращать внимание докторантам, которые только приступают к работе над диссертацией?

Использовать систематизированный подход к исследованиям, особенно если это экспериментальная работа. Нужно быстро научиться определять какие эксперименты наиболее важные, а какие меньше, так как всегда хочется попробовать все, но времени нет.