Лаборатория Флуктуаций

Руководитель - старший преподаватель А.В.Степанов, комн. 2-58.

Основатель лаборатории В.В.Потемкин

Основным направлением деятельности научной группы является исследование флуктуационных процессов в радиофизических системах: приборах и материалах электроники, разнообразных датчиках и т.п.

Исследование шумов интересно по следующим причинам. Во-первых, шумы определяют предельную чувствительность и стабильность измерительной аппаратуры. Поэтому знание их физической природы и статистических характеристик необходимо для создания прецизионных приборов, выбора оптимального режима их работы, для разработки методов выделения полезного сигнала на фоне шумов. Во-вторых, изучение шумов является самостоятельным методом исследования разнообразных систем. Шумы отражают динамические свойства системы, несут информацию об ее микроструктуре, поскольку сам шум является результатом процессов, протекающих на атомно-молекулярном уровне. В ряде случаев информацию, которую содержат шумы, трудно получить другими методами.

Шумы 1/f

Наибольший интерес представляет изучение низкочастотного шума со спектром 1/f. Мощность флуктуаций этого шума возрастает с уменьшением частоты примерно по закону 1/f - отсюда его название. Как правило, такая зависимость сохраняется до сколь угодно малых частот, доступных наблюдению. Например, в полупроводниковых приборах шум 1/f прослежен до частот порядка миллионных долей Гц (время непрерывного измерения шума составляло несколько месяцев!). На достаточно низких частотах шум 1/f наблюдается практически во всех приборах и материалах электроники: полупроводниковых и вакуумных приборах, проводниках и диэлектриках, в магнитных материалах и др. Закону 1/f подчиняются флуктуации в системах самой разнообразной природы, например, флуктуации суточного вращения Земли, флуктуации транспортных потоков. Такой универсальный характер шума 1/f до сих пор остается интригующей загадкой. В проводниках шум 1/f связывают с флуктуациями проводимости, обусловленными дефектами кристаллической решетки. На этой основе разрабатываются неразрушающие методы диагностики микроструктуры и прогнозирования надежности электронных изделий, методы контроля технологических процессов в микроэлектронике.

В научной группе накоплен богатый опыт исследований низкочастотных флуктуаций в различных радиофизических системах. Исследовались шимы перемагничивания тонких магнитных пленок и способы подавления магнитного шума, шумы проводимости тонких металлических пленок, шумы высокотемпературной сверхпроводящей керамики и др. В последнее время ведутся работы по изучению шумов туннельного тока в сканирующем туннельном микроскопе.

Сканирующий туннельный микроскоп и его шумы

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) позволяет изучать свойства проводящих поверхностей с атомным и субатомным разрешением. Первый СТМ был создан в 1984 г. Работа прибора основана на квантовом эффекте туннелирования электронов. Если два проводника сблизить на небольшое расстояние (порядка межатомного) и приложить к проводникам разность потенциалов, то в цепи возникнет электрический ток. Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния между проводниками, и по изменению туннельного тока можно судить о вариациях ширины туннельного зазора. В СТМ один из проводников - исследуемая поверхность, а другой - игла, закрепленная на пьезоманипуляторе, способном перемещать ее по трем осям. Перемещая иглу вдоль исследуемой поверхности и регистрируя изменение туннельного тока, можно измерять геометрический рельеф поверхности(см. рис.1).