В Институте физики микроструктур РАН создана технология напыления многослойных зеркал на основе бериллия для диапазона длин волн от 11,1 до 30,4 нанометра. Созданным с ее помощью зеркалам удается обеспечивать коэффициенты отражения, существенно превышающие мировой уровень. С их помощью можно будет повысить эффективность используемого в производстве электроники метода литографии, а также увеличить в два раза контраст изображений телескопов для изучения короны Солнца в экстремальной части ультрафиолетового диапазона. Об этом сообщает сайт Института прикладной физики РАН.
Электромагнитные волны дают изображения, размер «зерна» в которых не может быть сильно меньше длины самой электромагнитной волны. Поэтому, например, радар имеет довольно низкое разрешение, а излучение видимого диапазона — довольно высокое (электромагнитная волна видимого диапазона намного короче радиоволны). Поэтому коротковолновое ультрафиолетовое излучение с длиной волны от 2 до 100 нанометров давно привлекает внимание разработчиков оптики, ведь оно позволяет получать изображения с нанометровым пространственным разрешением. Благодаря этому можно, например, изучать живые биологические образцы на новом — нанометровом — уровне разрешения. Спектроскопия в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне также крайне полезна для изучения термоядерной плазмы, физики Солнца и других космических объектов.
Однако есть практическая проблема, затрудняющая изготовление подобной оптики: чем короче волна, тем проще ее поглотить и тем сложнее ее отразить. От этого требования к качеству изготовления оптических элементов и многослойных интерференционных зеркал возрастают в десятки раз (по сравнению с традиционной оптикой).
Исследователи из Института физики микроструктур РАН в рамках развиваемых отечественных программ по изучению короны Солнца разработали многослойные интерференционные зеркала нового поколения для экстремального ультрафиолетового диапазона. Сложность их создания заключается в базовом физическом противоречии: они должны одновременно иметь более высокие коэффициенты отражения и лучшую спектральную селективность, то есть не просто отражать больший процент излучения, но и делать это для строго определенной части ультрафиолетового диапазона. Как правило, это взаимоисключающие требования, и в рамках используемых сейчас наборов материалов указанная проблема не имеет решения.
Однако российские физики утверждают, что им удалось устранить это противоречие. Классический подход в создании многослойных интерференционных зеркал предусматривает использование чередующихся слоев материалов с большим и малым атомными номерами. При этом ряд «легких» элементов в рентгеновской оптике никогда не использовался, например металл бериллий. На это было две причины: бериллий имеет некоторые преимущества перед другими материалами лишь в очень узком спектральном диапазоне (от 11,1 до 12,4 нанометра) и он очень токсичен при технологической обработке (опасна его мелкая пыль).
С 2016 года специалисты института начали расчеты характеристик бериллия как отражателя в диапазоне длин волн больше 17 нанометров. Выяснилось, что здесь бериллий обладает уникальным сочетанием оптических качеств. С одной стороны, он имеет низкое поглощение, а значит, основная часть излучения уходит на отражение, что и требуется от зеркала в оптике. С другой стороны, его высокая рассеивающая способность соответствует ряду более тяжелых материалов и позволяет получить одновременно как высокие коэффициенты отражения, так и более узкую его спектральную полосу.
Для проведения экспериментов с бериллием в ИФМ РАН была создана специально оборудованная лаборатория, в которой синтезировали наиболее перспективные многослойные зеркала на основе бериллий-кремний-алюминия (Be/Si/Al), цирконий-бериллий-кремний-алюминия (Zr/Be/Si/Al) и бериллий-магния (Be/Mg) с защитной верхней пленкой из алюминия. Все созданные зеркала показали рекордные коэффициенты отражения и спектральную селективность.
В составе многозеркальных систем, оборудованных бериллиевыми зеркалами (а телескоп, как правило, содержит не менее двух-трех зеркал), эффективность телескопа в экстремальной части ультрафиолетового диапазона может быть увеличена до 300 процентов от той, что позволяют существующие материалы. Предполагается, что на этой основе вскоре будут созданы телескопы для наблюдений за Солнцем.
Однако область применения таких бериллиевых многослойных зеркал не ограничивается астрономией. Дело в том, что волны длиной в считанные нанометры можно использовать и в производстве электроники. Разработанные в институте зеркала представляют большой интерес для литографии следующего поколения, так как превосходят все мировые аналоги, работающие на длине волны 13,5 нм по уровню отражения на 1,5 процента.
На первый взгляд это немного, но лишь на первый. Дело в том, что в литографии системы отражения тоже, как правило, многозеркальные, поэтому для всей отражающей системы такая прибавка на одном зеркале даст увеличение производительности литографического процесса на 29 процентов. Объем производства электроники в этом сегменте таков, что эти 29 процентов при широком внедрении дадут колоссальный экономический эффект. В настоящий момент работа в указанном направлении продолжается, и есть перспектива, что новые российские молибден-бериллий-кремниевые зеркала станут основой для литографов нового поколения.
