Tudomány, társadalom - felfedezés és megvalósítás Prof. emer. Gyulai József MTA TTK MFA BME VKI EET

A tudománypolitika – szerintem http://youtu.be/_7bhoYp9_us A felfedező tudóstól nem feltétlenül várható el, hogy belegondoljon eredményének hasznosulásába. ha igen, akkor is valószínűleg a sajátos és joggal elfogult értékrendjében teszi. Kellenek utánuk az őket igazoló, szintén "tudós" utódok, a kutatómérnökök, a gépésztől a gyógyszervegyészig, akik az alapkutatók leegyszerűsített modelljeit a világ bonyolultságához igazítják. Akik igazolják, hogy a felfedezett természeti törvénnyel alkotások tervezhetők, sőt, meg is építhetők. Hogy a mű ne csak a laboratóriumban, kísérleti egerekben, hanem a gyakorlatban gazdaságosan, de főleg megbízhatóan működjék... 2

Elmélet - modellek „Első elvek”-re visszavezetés szándéka – ma is a legvonzóbb, az informatika lehetőségeivel kváziegzakt megoldások elérhetők – szemben a korábbi nagyfokú egyszerűsítésekkel MC-Véges elem-módszerek Modelleknek azért ma is vannak határai, korlátai – ha sok a „fudge factor”-ra van szükség Adatbányászat lehetőségei Brute force ereje... De gondolkodva használni! Különben „világot teremtünk a saját képmásunkra”... 3

Az ipari megbízások kérdése ipar a prekompetitív kutatásait minél teljesebben megossza az akadémiai szférával hiszek abban, hogy a tudományos-műszaki témákhoz való közelítés metodikájában az anyanyelvnek meghatározó szerepe van. fészkekhez – adófizetői pénzen kívül – nehezebbre is szükség van: társadalmi gondolkodás-váltásra.

Az emberi és a szakmai tisztesség kérdése Saját sikerrel is rendelkező vezetőket futtassunk fel, akiket nem kísért meg az irigységbe menekülés Amerikai-finn barátaim közül sokan költöztek haza a finn csoda indulásakor finn csoda sikerének alapfeltétele volt a finnek „skandináv” erkölcse.

„Ceterum censeo...”: A Recycling economy – működőképes forma lenne, A mai tudománynak egyetlen küldetése és két súlypontja lehet – ez valahol megfelel az ön- és fajfenntartás ösztönének is: megkeresni annak a módozatait, hogy élhet-e, ill. hogyan 6-10 G ember a Földön – úgy is, hogy a többi élőlény is megmaradjon?… emellett az egyén élettartam-növelése domináns érdeklődést vonz – a biotudományok súlya, érdekessége. A Recycling economy – működőképes forma lenne, De képes lesz-e a társadalom ezt az életforma receptet idejében magáévá tenni? Én az „elviselhetővé” tételt a humanióráktól, ill. kiknek-kiknek a vallástól remélem … És itt játszott a tranzisztor alapvető szerepet. 6 6

Buckminster Fuller: Operating Manual for Spaceship Earth - (1969) “…One outstandingly important fact regarding Spaceship Earth, and that is that no instruction book came with it…„ …, hogy nem kaptunk hozzá Használati utasítást… Biosphere, Montreal, 1967 Fullerének 7

A Napmotor Club of Rome számításának lényegében, amely szerint, a Föld egy „napmotor”, solar engine – pár százalék saját hővel megfejelve. „megfejelés” eléri az érkező napenergiának számított töredékét, a felszíni hőmérséklet megnövekszik – annak minden következményével. ám virágozzék szabadon a felfedező tudomány, találjon és értsen meg új és új természeti jelenségeket, amelyeknek arzenáljából azután a majdani mérnökök kiválasztják az alkalmazásra éretteket, és kimunkálják azt az életformát, ami a bővülő arzenál kínálta előnyök okán kellemesebb is lehet, mint Madách falansztere.

Elég-e ez? A ‘Spaceship Earth’ mély értelmű: a kékesszürke Föld termikus egyensúlyban lebeg az Űrben. Ekkor az érkező és az űrbe kisugárzott hőmennyiség azonos (+ a radioaktivitásból származik néhány %-nyi geotermikus hő) a Római Klub analízise a hetvenes évekből: ha az érkező napenergia 5 tízezredét (!) többletként felszabadítjuk – bármilyen tiszta módon – a földi átlaghőmérséklet kb. egy fokkal megemelkedik! Ezt szokta a napenergia lobbi úgy mondani, hogy pár óra alatt megérkezik a Földre az emberiség teljes éves energiaszükségletét kitevő napenergia. Az emberiség fejlett fele kb. ennyit szabadít fel a saját szállásterületén 9

Az energia, -előállítás, -gazdálkodás Az "írástudók" tudhatják csak a megoldást megtalálni: minden technológiát át kell gondolni, hogy azonos feladatot kevesebb energiával, anyaggal, zárt termelési-fogyasztási folyamatokba kapcsolni. Ez év januárjában végre hallottam ezt az elvet az EU- ban: „Recycling economy”! Jó harminc év késéssel, végre...Talán...

Globális keret: tudomány és túlélés Kritikus műszaki tudományok: energetika, anyagtudomány és az ezen nyugvó számítástudomány, -technika (logisztika) infrastruktúra: víz, közlekedés, meteo, stb. Személyes részvételem, korábban az ionbesugárzást alkalmazó IC technológiák (ionimplantáció) anyagtudományos alapjai, ionokat alkalmazó anyagvizsgálati módszerei, a mai érdeklődésem: nanotudomány

A technológiák jellege, Feynman (1957) – kihívás az anyagtudománynak A "lebontó", top down (pl. pattintott kőszerszám) mai gondja: a forgácsolás trilliószám tépi fel a kémiai kötéseket! Kívánatos az "építkező", bottom up, technológiák térhódítása A nanotechnológia lényege és fő tennivalója ez az építkező gyártás

Van azért TOP DOWN technológia, amelynek a jövőjét biztosítanunk kell… Michelangelo Buonarroti: „Non ha l'ottimo artista alcun concetto c'un marmo solo in sè non circoscriva col suo soverchio; e solo a quello arriva la man che ubbidisce all'intelletto.” „A legnagyobb művésznek sincs oly álma,     mit ne zárna bármely kocka márvány     önnön feleslegébe: míg kitárván,     a lélek által vont kéz megtalálja.” Babits M. ford.

Frontvonalak

Ipari trendek az anyagok világában

Ionimplantáció – egyik kulcstechnológia lett Shockley szabadalma, 1957 – naïv megoldás, de a hőkezelés szükségességét is megfogalmazta! A korai szabadalom lett a világ szerencséje, mert mire kellett, kifutott az amerikai érvényesség, a 17 év... A Mayer-csoport, ahova a jó sorom vitt, hitt az implantációban és lett 1974-76 között három olyan gondolatunk, eredményünk, amely nélkülözhetetlenné tette az eljárást és hozzájárult a Moore-törvény érvényre jutásához. Kezdetben nem volt konszenzus: 1970-ben, az egyik első implantációs konferencián az USA-ban vitatkoznom kellett a nem sokkal korábban keletkezett Intel egyik mérnökével, aki semmire se tartotta 16

Technológiai anyagkutatóként elfogult vagyok: a 20 Technológiai anyagkutatóként elfogult vagyok: a 20. század legnagyobb hatású találmánya a tranzisztor, majd abból az integrált áramkör Lilienfeld szabadalma (1925!), Mataré (1944) Bardeen-Brattain, Shockley (1949) Integrált áramkör, Kilby (1959), Noyce (1961) CCD, Boyle, Smith (1969)

A legszebb találmány, nekem, talán a lézer, mert csak elméleti meggondolás (populáció inverzió létezése) előzte meg Tranzisztornak ugyanis volt előzménye, a vákuum rádiócső, de sokan gondolkodtak arról, hogy a kristályatomok kifeszítette „vákuum” ugyanúgy viselkedik-e – ez lett a mai „electronic materials science” egyik elindítója... Például, a „ballisztikus tranzisztor” – „autóverseny a cseppkőbarlangban” – egy hetvenes évekbeli rajzomon

A ”Moore törvény” „Évente kétszer annyi elem egyetlen chipen”... „Talán a hetvenes évek végéig sikerül…” – mondta, írta Gordon Moore (Electronics, 38(8), apr.19,1965) Generikus törvény született, ami – és ezt ritkán hangsúlyozzák – inkább üzleti, semmint technológiai – a technológia csak eleget tesz a piacnak! Az Intel kezdeti sikerének „titka” pimaszul egyszerű volt: a technológiai higiéne, (a kemence samott-nátrium – kvarccső szilícium bélelés) Ezzel elsőként tudtak egyetlen chipen alaphelyzetben nyitott (növekményes), ill. feszültségre záró (kiürítéses) tranzisztorpárt, ezzel „kaput” gyártani. Több magyar emigráns is része volt a Bruce Deal vezette technológus-csapatnak: Andrew Grove, Leslie Vadasz... International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS: http://public.itrs.net/ négy évenkénti tanulmány, kétévenként korrekció

A Mayer-Gyulai (Caltech-KFKI) csapat „csak” az implantációt akarta „technológiává” tenni... A Moore-törvény teljesüléséhez (amiről akkor még alig beszéltek) való hozzájárulásnak is fogalmazhatom Két kísérlet miatt tért át a világ szilíciumipara az ún. (100)Si gyártására – az egyiket (oxidminőség) az Intel, a másikat (az implantált rácshibák is jobban hőkezelődnek) mi/én végeztük (1974) Egy „trükk”-ünk, ami kellett az implantáció technológiává válásához és máig nélkülözhetetlen az áramkör-gyártásban, a „preamorfizáció”, 1975, Csepregi László végezte a fő kísérleteket, Ennek egy változatával gyártották az USA-ban évtizedig a sugárzásálló katonai IC-ket is (1984 utánig, R.W. tájékoztatása)…

Hőkezelési stratégia – I A rendeződés eltérő minőségben, sebességgel valósul meg különböző kristályorientációk esetén: vSPE(111)< vSPE(100)< vSPE(110) Ahogy a termikus oxid minősége esetén, úgy a az amorf határréteg rendeződésére is az (100) Si az alkalmasabb (a kristálysíkokból nincs kilógó atom) – ezek miatt tért át a Si-ipar az (111)-ről az (100) kristályok növesztésére! (111) (100) 21

Gond: a „csatornahatás” Az ionimplantációval pontos adalékeloszlás hozható létre, egyes adalék ionok azonban „eltévedhetnek”, és esetleg mélyebbre jutnak, mint szeretnénk. Gyémántrács˙különböző irányokból 22

Csatornahatás elkerülése A szelet pozicionálása (döntés és forgatás) Amorf vékony oxid réteg növesztése (200-250Å) A kristály amorffá tétele „ön-implantációval” (Si vagy Ge implantálás Si-ba) – „pre-amorphization implant”, PAI, ez lett az elfogadott eljárás; ezzel és az (100)-Si-re való átállással (l. később) – vált az implantáció „fizikus egzotikumból” valódi „technológiává” Konkurens ötlet: BF2+ implantáció (előnye lehetne, hogy a BF3 gázforrásból több molekula-ion keletkezik, mint bórion!) – ez, beütközéskor szétesik atomokra, a bór kb. 20% energiát visz. A fluor is amorfizál, de a beépülése nem közömbös... 23

A Moore-törvény és mi… Mikor voltunk fősodorban? III A katonai IC-knél fontos a sugár- zásállóság. Erre a SOI-szerke- zetek – Silicon-On-Insulator – nagyon alkalmasak. A hetvenes években a SOI „menő” változata a SOS – …-Sapphire volt, de a visszáramok katasztrofálisak voltak amiatt, hogy a Si ugyan 1200oC-on jól nő a zafíron, de lehülve – a hőtágulás eltérő volta miatt – óriási feszültség keletkezik a zafir-Si határrétegben. Kézenfekvő volt, hogy a „perfect doping” trükkjét alkalmazzuk erre a rendszerre is.

Egyetlen kaszkád hatása, defekt képződés Hogy az atommá semlegesülő ion a legutolsó ugráskor rácspontba kerül-e vagy defektként „fagy be”, sok tényezőtől függ A valósághoz közeli képet kapunk, ha a kaszkád sorsáért a szubsztrát hővezetését tesszük felelőssé: a kaszkád kezdeti plazma-állapota eljut egy olyan állapotba, ahol már van „hőmérséklet” és „termodinamika” Defektek a kaszkád utolsó ugrásainál csillámban 217 MeV Ne ion becsapódásakor, AFM kép (LP Biró, J Gyulai, K Havancsak, Vacuum 50(1998)263

Hőkezelési stratégia eszközei Kemence Sugárzó hő (impulzus sugárzó, μs, adiabatikus, – Rapid Thermal Processor, RTP, izotermikus – sec), Lézeres: CW lézer – izotermikus, impulzus lézer – adiabatikus, Ultrarövid – ULSI? A nagy áramsűrűségű implantáció adiabatikus: kaszkád átfedés térben, időben, mindkettő esetén Si esetén már 600-800°C-on megindul az újrarendeződés 26

Ionok aktiválása – ‘defect engineering’ – I. Az izoterm/adiabatikus hőkezelések révén előálló pn-átmenet vándorlás As esetén, D=√(Lt) modellel (C. Hill, Nucl. Instr. Meth., 209/210 (1983) 381) Az elfogadható relokalizáció érték alapján lehet dönteni A mai áramkörökben az izoterm hőkezelés (Rapid Thermal Processing, RTP, néhány s időtartamban) dominál A rövidebb, lézeres megoldás terjedésének a pásztázás igénye szabott mindeddig korlátot 27

A méretcsökkenés hazai lehetőségei A hazai mikroelektronikai ipar sosem térhetett magához a MEV tűzesete, 1986, után – a Lloyd pénze a „nagykalapba” került... A fővonal követése lehetetlenné vált Lett ugyan néhány maradék spin-off, de nagyobb létesítménnyé nem tudott felnőni A SW-ipar dominanciája született meg. És a hazai kutatás-fejlesztés a szenzorika, a mikroelektromechanikai, MEMS, felé fordult

Szenzorika „forradalma” A természet valamennyi jelensége hatásokról szól – a fizika, a kémia, a biológia folyamatai révén: Tekintsünk egy tetszőleges rendszert, kezdeti állapotában, ezt éri valamilyen hatás (pl. fény, hő, másik ütköző test, stb.) és megváltoztatja azt, új állapotot hoz létre, amelyet ismét mérünk, rögzítünk. Minden természeti jelenség olvasható „szenzorként” is: vissza lehet-e a végállapotból következtetni a rendszer eredeti állapotára? Ehhez ismerni kell a végállapotot és a hatás mibenlétét. Szenzorról akkor beszélünk, ha a hatás az eredeti rendszeren csak kismértékű, lehetőleg „elhanyagolható”, perturbáció-szintű, netán non-destructive, azaz roncsolásmentesnek tekinthető változást okoz... 29

Út a nanocső felé – a véletlen 210 MeV-es neon ionokkal bombáztunk Dubna vs. CERN Jeszenszky Géza – 150 k$/év Alapkutatásra gondoltam: rácshibák nagy energián… nanocső lett belőle

A Nanogas szén nanocsöveket használ – jelenleg fél-kvantitatív Választott ‘demo’ anyagok/oldószerek: víz, aceton, etilalkohol, kloroform, triklóretilén A szén nanocső atomi felbontású képe (Osváth Z.); szerkezeti hiba kell ahhoz, hogy „érzékeljen”

Gázérzékelő "mesterséges orr” (Weszta-T Kft-vel)

Talán egy Hungarikumot is segítünk… Egyetlen borászat két Kékfrankos évjárata, két borászat Cabernet sauvignonja, és egy Tokaji Hárslevelű

A mikroelektronika-közeli Nobel díjak J. Bardeen, W.H. Brattain, W. Shockley, tranzisztor (1956) L. Esaki, I. Giaever, B.D. Josephson, alagúthatás alkalmazásai (1973) K. von Klitzing, kvantum Hall-effektus is tranzisztor (1985) E. Ruska elektronmikroszkóp, G. Binnig, H. Rohrer alagútmikroszkóp (1986) Z.I. Alferov, félvezető lézer, H. Kroemer, UHF tranzisztor, optika, J. S. Kilby, Integrált áramkör (2000) W.S. Boyle és G.E. Smith, CCD szerkezet, optika, (Charles K. Kao, optikai szál) A. Geim és K. Novoselov a grafénen, mint kétdimenziós anyagon végzett alapvető kísérletekért N, Shuji, A. Hiroshi és A. Isamu, a kék LEDiódáért Geim 2000-ben megkapta az IgNobel díjat is IgNobel – paródia - „first make people laugh, then make them think”: diamagnetic levitation 1T- 10T elegendő az élő szervezetek levitációjának előidézéséhez

A Moore-törvény hatása A tranzisztort, de a mikroelektronikát is Hamupipőkének tartom: Ahogy gépkocsi vásárlásnál már nem a motor élettartama, hanem a kényelmi berendezések érdekelnek A mai mikro-, nanoelektronika szerepe nélkülözhetetlen, de bújtatottan szerepel az EU terveiben...

Végrehajtó szervezetek, új menedzsment formák 7 DG együttműködése 5 végrehajtó ügynökség JTI-k 185 EIT EIB Új/átalakított finanszírozási formák KKV „SBIR” akciók Társfinanszírozási akciók Díjak Pénzügyi eszközök 36

Hogy valósult meg ez az én szakmai karrieremben? Lehettem sokszor és jókor a legjobb helyeken: Caltech, Cornell, Paris VII, Erlangeni egyetem, IIS-FhG, Osaka A „túszhagyás” okán is sokat dolgoztam – magányomban A téma „érzékenysége” különleges óvatosságot igényelt Az idei év nemzetközi elismerése: REM-7

Köszönetnyilvánítás Az itt idézett eredményeket leíró több száz publikációban, szabadalomban a társszerzők száma több száz – egyetemi, kutatóintézeti, ipari szakember A külföldiek között kiemelkedő J.W. Mayer, H. Ryssel szerepe A doktoranduszok is külön kategória – talán a legsikeresebb R.D. Pashley (Intel), Itthon a vízióval rendelkező vezetőm, Pál Lénárd, valamint az implantációs technika honosítását vezető Pásztor Endre mellett Felnőtt mellettünk sok, ma karrierje csúcsán lévő munkatárs: Biró László Péter és csapata, Lohner Tivadar, Fried Miklós, é.í.t.

Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti a Pannon Egyetem Tanácsát, az engem ért tisztesség okán, ezen belül Vonderviszt Ferenc professzort, aki több eredményének rendelkezésemre bocsátásával növelte több előadásom vonzerejét, és akit külön becsülök azért a szemléletért, amely a biológia-kémia-fizika határterületének tudományos értelmezését jelenti, amelyben én is hiszek: A 21. század biológiája jobban fog hasonlítani a 20. fizikájára, kémiájára, informatikájára, minta 20. biológiájára

Köszönöm a figyelmet! 40