Вначале я хотел назвать эту работу - как не надо решать научные задачи. Однако все же решил не использовать в заголовке отрицание. Одно из самых удивительных свойств человека-это восприятие им красоты. Красота многообразна. Ею обладает все что нас окружает - люди, животные, цветы, дома, картины, музыка, стихи и т.д.и т.п. Кто не останавливался и не замирал перед красивой женщиной, картиной, закатом или восходом солнца, какой нибудь книгой, рисунком, или результатом эксперимента? После знакомства с эффектом Рассела и начав его вначале применять, а затем исследовать, я влюбился в изображения, получаемые от поверхности кремния на фотопластинке.

Напомню в нескольких словах суть этого эффекта. Обнаружил его случайно Рассел в 1897 году, после чего его исследовали и пытались объяснить порядка двадцати ученых. Суть эффекта - ряд металлов, с поверхности которых удален окисный слой, находясь в контакте с фотоплстинкой, образует на ней скрытое изображение, которое, после проявления и фиксажа становится видимым. Применение этого эффекта очевидно. Там где необходимо проверить наличие окисла (на малой площади, например, 2 на 2 мкм) на поверхности металла, полупроводника, можно использовать фотопластинку и получить ответ.

Мы использовали этот эффект для проверки чистоты травления окон в окисле кремния, перед напылением в них алюминия. Если изображение есть, значит в окне нет окисла и электрический контакт кремний - алюминий будет отличным. Что же создает в фотопластинке скрытое изображение? Я не буду тянуть и сразу скажу наши результаты. При окислении поверхности кремния влагой из водуха с поверхности кремния происходит эмиссия молекул водорода и атомарного водорода. Мы были очень рады, что нашли то, что многие долго искали. Да, это атомарный водород!! Нашли индикатор на фиксирования малых концентраций атомарного водорода - желтую соль молибдена, которая под действием Н становится синей. Все подтвердилось. Однако версия с атомарным водородом была для меня все еще непонятной. Дело в том, что мы фиксируем почернение пластинки на довольно больших расстояниях от поверхности кремния-например 50 - 100мм. То есть я могу сформулировать противоречие - да, это атомарный водород, так как он взаимодействует с зернами AgBr, и освобождает Ag, то есть формирует в фотоэмульсии скрытое изображение, но это не атомарный водород, так как он не может проходить такие большие расстояния на воздухе. Таким обраом -это Н, и не Н!!! Как найти решение, когда в этой реакции больше ничего нет? Можно сказать, что надо воспользоваться внутренними ресурсами, но все же в первую очередь надо использовать учебную литературу как ресурс! Удалось найти в учебнике " Физическая химия" А.И. Бродского 1947 г. маленькую заметку, напечатанную мелким шрифтом о том, что молекулы водорода, кислорода и азота образуются из возбужденных молекул этих газов, которые в свою очередь состоят из атомарных частиц, все время то распадаясь, то объединяясь. Так , например, Н+Н=Н2*, и только в случае взаимодействия Н2*+X=Н2+X*, образуется молекула водорода, отдав свою энергию возбуждения третьей частице X*. Эта третья частица может вернуться в нормальное состояние, например, испустив квант света. Такой экперимент был проведен со ртутью и он полностью подтвердил наше предположение. На рис.1 приведен фотография полученная в этом эксперименте.

Рис 1

Таким образом можно утверждать, что с окисляющейся поверхности кремния происходит эмиссия молекул водорода, атомарного водорода и возбужденных молекул водорода.

Рис 2

После того как мы применили этот эффект в технологии (на рис.2 приведена фотография, на которой видно, что на кремнии окна в окисле вскрыты - черные точки, а если бы были окна не вскрыты, то черных точек бы не было), мы поставили перед собой задачу - узнать что же эмиттируется с окисляющейся поверхности кремния? Были проведены десятки различных экспериментов и с различными фильтрами, начиная с бумаги и кончая тонкими пленками металлов (на рис 3 показана фотография, полученная, от прохождения Н через кальку, на которую напылен тонкий слой алюминия), размещая между пластинкой кремния и фотопластинкой сетки на которые подавали положительный и отрицательный потенциал, пуская в зазор струю воздуха (на рисунке 4 приведена фотография, на которой показано, частичное "сдувание" основного потока молекул ВВ струей воздуха), измеряли угловое распределение молекул и т.д.

Рис 3

Рис 4

Было собрано много фактов, но к моему огорчению я даже не задавался мыслью, чтобы представить себе всю картину, происходящих событий на поверхности кремния, в зазоре и фотопластинке. Из опыта решения задач я для себя сделал, по видимому многим известный принцип, который записал в программу МО. Однако, несмотря на то, что принцип хорош, осущствить его практически не так просто, как записать. Назвал я его принципом "лимона" - надо из результатов эксперимента как из лимона "выжать" все, что решатель может! Так, например, я видел, что в наших опытах всегда на ФП есть круглое черное пятно, размер которого соответствует диаметру кремниевой пластины, и почти всегда это черное пятно окружено тонким белым кольцом. Сергей Смирнов , который работал со мной, спрашивал меня - когда вы будете объяснять это кольцо? Я же непроизвольно делал вид, что оно меня не интересует, а проще сказать, я не мог представить себе какое этому кольцу можно дать объяснение. Теперь по прошествии многих лет, размышляя над полученными изображеними я удивляюсь себе - почему же я игнорировал то, что видно невооруженным глазом? Что это за эффект - эффект лени, страха,или что то другое?

Читая многие статьи с приведенными экспериментальными данными, я вижу, что и другие исследователи подвержены этому эффекту.Мне представляется, что даже не дав обьяснения наблюдаемого явления, автор публикуя свое сообщение ставит задачу для читающего и обращает его внимание, на то, что не все ясно в описываемом явлении. Приведу пример. В журнале" В мире науки" 1-2005 год опубликована статья Джона Маттика "Тайна программирования сложных организмов" (стр.29). Но прежде я напомню о работе Нобелевских лауреатов 1989г.Т.Чека и С.Олтмэна . Они обнружили, что РНК вырезает сама из себя незначащие куски - интроны, а затем сама себя сшивает. Они не указали, что это за куски, какое их назначенме и т.д. Как я понял, эти куски стали называть" хламом", и они отправлялись на разрушение. А теперь обратимся к статье. В 1997г. Филипп Шарп и Ричард Робертс, независимо друг от друга обнаружили, что устоявшиеся представления о системе регуляции генов дали трещину. А это центральная догма биологии! - ген влияет через РНК на белок, но в новой гипотезе - теорий возможен и обратный процесс.Вы можете в интернете посмотреть эту статью, там приводится прекрасный рисунок, который мне удалось скопировать и он приведен под номером 5.

Рис 5

"Они показали, что гены эукариот-это не непрерывные белок - кодирующие нуклеотидные последовательности, а мозаика из экзонов (сегментов ДНК, кодирующих участки белковых молекул) и интронов (сегментов ДНК, обычно весьма протяженных, не кодирующих никаких белков). В ядре эукариотической клетки гены копируются от начала до конца, включая и все интроны, в результате образуется длинный первичный РНК - транскрипт. Он подвергается сплайсингу - из него вырезаются интроны, а оставшиеся экзоны соединяются друг с другом и образуется непрерывная белок - кодирующая последовательность - матричная РНК (мРНК). На ней в цитоплазме синтезируктся белок, а вырезанные интроны, казалось бы, не выполняющие никаких функций, просто разрушаются. Но если интроны совершенно бесполезны, то почему их так много в геноме эукариот? ( вот белое кольцо! - В.М.) У человека на их долю приходится 95% длины среднестатистического белок - кодирующего гена. Вся эта масса генетического материала долгое время считалась эволюционным "хламом", неким рудиментом, оставшимся с тех времен, когда еще не было никаких клеточных организмов, а фрагменты белок - кодирующих нуклеотидных последовательностей каким то образом соединялись друг с другом, образуя первые гены."

Я полагаю, что теперь стало более понятно, что я имею в виду - многие не видят то, что наывается" хламом", а на самом деле ",хлам"-это не только новые задачи, но и путь к пониманию нового процесса! Размышляя я пришел к выводу, что все это не видение последствий - "белое кольцо", "хлам", и т.д. возможно оценить рассматривая процессы с помощью причинно - следственных цепочек, принципа компенсации, отвечая на вопрос- что надо сделать, чтобы произошло то, что произошло?, системного анализа и т.д. Возможно это и ответ на афоризм Черномырдина - хотели как лучше, а получилось как всегда! Каждый день делаем что - то не анализируя сопровождающие это что-то положительными и ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ явлениями, эффектами и т.д. Примеров тьма - от перестройки до отечественных миллиардеров.

Но вернемся к нашей задаче. Рассмотрим вначале выделенные нами три элемента системы - пластина кремния, зазор между пластиной и фотопластинкой и саму фотопластинку. Очевидно, что, так как мы проводили эксперименты на воздухе, температура и влажность которого изменялась в соответствии с временами года и работой отопления помещения, то можно утверждать, что результаты наших опытов должны быть невоспроизводимыми, и как то изменяться. Но все же я считаю, что для качественной оценки эффекта воспроизводимость неплохая. Тем не менее меня смущает результат одного опыта, который нам воспроизвести не удалось.

Работая с фильтрами мы использовали кварцевое стекло и из 100опытов получили лишь в одном скрытое изображение. В чем было дело я так и не понял. Если бы мы сообразили сделать специальный бокс с регулируемой температурой и влажностью, то конечно, мы может быть нашли бы те условия, при которых происходит излучение ультрафиолета с кремния.

Итак, изменяя влажность, мы можем регулировать скорость окисления кремния и значит концентрацию эмиттируемого возбужденного водорода. Почему мы использовали кремний? Все опробованные нами металлы для создания скрытого изображения требовали время экспонирования - часы, а кремний - от пяти до пятнадцати минут. Окисел с Si удаляли либо шлифовкой поверхности, либо травлением. Наблюдались интересные случаи, когда травление не приводило к очистке поверхности и эмиссии не было. Все опыты проводились в полной темноте.

Теперь обсудим зазор. С поверхности подымается водород, который легче воздуха и поэтому он не имеет углового рвспределения - и, можно себе представить, эмиттируется столб газа. В нем есть и атомарный, и молекулярный, и возбужденный водород (ВВ). Атомарный частично образует ВВ, частично вступает в химическую реакцию с молекулами воздуха . Если нет фотопластинки, то этот столб газа на значительной высоте превратится в столб молекулярного водорода. Возможно этот эффект можно использовать для обнаружения ржавеющего в воде металла.

Теперь обратимся к фотопластинке. После первого знакомства с эффектом Рассела, я опробовал пару десятков различных пластин, даже несколько типов, предназначенных для регистрации космических лучей. Ни малейшего почернения! В.Соколов, ныне доктор физ.мат. наук, а в то время м.н.с. ИПАНа - института полупроводников, посоветовал использовать фотопластинки типа МК, МР, предназначенные для ядерных исследований и для электронной микроскопии. Особенность этих пластинок - тонкий слой фотоэмульсии, порядка нескольких десятков микрон. Первые же опыты дали положительные результаты и мы начали проводить работу по контролю чистоты окон в окисле кремния на кремнии, а затем исследовать- что является причиной образования в пластинке скрытого изображения. Конечно, я провел опыты с перевернутой шлифованной поверхностью, результаты которых показали, что мы имеем дело с частицами, но картинка получалась не красивой, Я придумал опыт, результат которого любого убедят, что мы имеем дело с частицами. Для этого в зазор между фотопластинкой и пластинкой Si мы направили струю сжатого воздуха на все время экспонирования. Ожидалось, что воздух сдует часть частиц, летящих к фотопластинке и мы получим как бы "сдутое изображение". Его и получили - я был им удовлетворен, но теперь нет! Как я теперь понимаю, мы провели идеальный эксперимент, то есть результат эксперимента сам показывает, что с окисляющейся поверхности эмиттируются частицы! Но теперь появилось несколько вопросов - почему струя воздуха не разделила все изображение на две части? Почему на снимке нет белого кольца, серого фона, которые обычно присутствуют на снимках, как показано на рис.6?

Рис 6

Поставим вопрос - что надо сделать, чтобы получилось то, что получилось? Смотрим на рис.4. Сжатый воздух попадает в зазор и при выходе из трубки ее диаметр (несколько мм.), расширяется и сдувает поток возбужденных молекул водорода. Это означает, что скорость молекул воздуха больше скорости потока водорода. Видно, что центральный тонкий поток воздуха доходит до самой крайней точки треугольника и здесь скорость струи воздуха такова, что поток водорода преодолевает воздушную струю, и попадает на фотопластинку. Перефирйные части потока воздуха, очень симметрично расположенные на рис 4 свидетельствуют, что их скорость в потоке водорода равномерно снижается, а затем водород преодолевает поток заторможенного воздуха. Куда делся водород который был в треугольнике? Можно предположить, что в районе черного пятна плотность почернения пластинки более, чем в обычных опытах и это, по видимому, за счет обогащения молекулами из треугольника. Можно допустить, что так как нет ни белого кольца, ни фона, то по видимому, возбужденные молекулы в этой области отсутствуют - либо они передали свою энергию возбуждения молекулам воздуха, став молекулами H2, либо в зазоре от струи выходящего воздуха образуется "сквозняк", который выдувает ВВ за фотопластинку. Можно предположить, что в зазоре очень неустойчивый микроклимат. Действительно, струя воздуха крушит все на своем пути, уносит тепло, возможно создает завихрения. В фотоэмульсии могут протекать два вида реакции - H взаимодействует с AgBr и образуется Ag и HBr.

HBr может не только сидеть в желатине, но и диффундировать из периферии черного пятна в чистую фотоэмульсию, причем HBr повидимому, может уменьшать чувствительность фотоэмульсии, что и приводит к образованию белого кольца. Но нельзя исключать и другую реакцию с которой столкнулся великий экспериментатор Р.Вуд. Он наблюдал рекомбинацию атомарного водорода на вольфраме, причем вольфрам разогревался до белого свечения! Поэтому, можно допустить, что ВВ в фотоэмульсии рекомбинирует с передачей энергии (тепла) Ag, или AgBr и желатине. Я считаю, что фотопластинка - это детектор , показывающий переход через границу качества, - фотоэмульсия под действикм света или, например H, изменяет свою структуру.

Посмотрим как протекает процесс, создающий эффект Рассела, с применением принципа компенсации, предложенного Белостоцким Ю.Г.

Суть этого принципа в том, что ни одно явление не протекает в одиночестве, оно всегда порождает другое, но энергетически более слабое. После того, как поверхность кремния освобождена от окисла, она сразу становится ареной действия различных процессов. Молекулы воды осаждаются на поверхности, диссоциируют на H+ и OH_ . OH начинает взаимодействовать с атомами Si образуя окисел. Ион H+и H_ образуют атомарный водород, который эмиттируется с поверхности. Процесс окисления продолжается несколько суток.

Рис 7

На рис. 7 приведена полученная зависимость плотности почернения фотопластинки от времени. Поднимающиеся с поверхности Si возбужденные молекулы водорода, атомарный водород могут быть зафиксированы прекраснейшим детектором - фотопластинкой. Если она лежит на поверхности Si, в ней образуется черное пятно, если она расположена на расстоянии 20-50 мм, образуется черное пятно и белое кольцо.

Если же фотопластинка оставлена на расстоянии нескольких мм., то на фотопластинке образуются, кроме черного пятна, чередующиеся белые и черные кольца, причем можно найти такое расстояние, при котором эти кольца могут быть очень четкими, а не диффузными, и число их может достигать трех. И вот для объяснения этих колец необходимо привлечь какие- то новые подходы, т.е. придумать, что надо сделать, чтобы это произошло? В любом случае, при образовании белого кольца должно выполняться несколько условий - нечувствительность фотоэмульсии в области белого кольца, отсутствие контакта фотоэмульсии с ВВ в этой области, отутствие в этой области ВВ. Прошло несколько дней. Я размышлял над задачей, и вдруг рано утром 24 марта у меня блеснула мысль от ктоторой я сразу проснулся - что я исследую? Я же определил, что эмиттируется, с окисляющейся поверхности кремния, а что такое кольца? Это же взаимодействие потока и пластинки и образование какого то рисунка, то есть фотопластинка изменяет структуру потока ВВ. И этот рисунок зависит от расстояния между пластинкой Si и фотопластинкой. Приходит на память пример открытия лауэграмм.

На рентгеновской установке поставили кристалл, а на него сверху положили фотопластинку. Проходили дни , а изображения все не было. Тогда, аспирант, который работал на этой установке, и ее треск надоел ему, решил поставить пластинку на пути потока. И чудо совершилось - была получена картинка, которая была названа лауэграммой!! А вот С.Дали заполнял пули краской и стрелял ими в камни, на которых получались любопытные картины.

Таким образом можно говорить, что существует целый раздел - взаимодействие излучений, частиц, вещества с излучениями, частицами, веществами! И для каждого взаимодействия есть детекторы, которые не только их регистрируют, но и их изменяют - искажают поток, создают картины, рисунки, новые частицы и т.д. Можно утверждать, что если создан новый чувствительный детектор, то это шаг к новому открытию!!

Теперь вернемся опять к кольцам. Я уточню картину эмиссий с поверхности Si. Известно, что кроме водорода происходит эмиссия молекул перекиси водорода, это гипотеза И. Ройха, а об образовании перекиси на поверхности окисляющегося металла, гипотеза была высказана академиком Бахом. После открытия эффекта Крамера, многими авторами было показано, что с поверхности металлов и полупроводников происходит эмиссия экзоэлектронов. Таким образом, при малом зазоре все эти эмиттирующиеся частицы могут учавствовать в создании колец. Сделаем попытку применить к нашему объяснению закон перехода количества в качество. Когда мы разрушаем поверхность пластины Si, мы переходим границу качества. Когда с этой поверхности происсходит эмиссия водорода - H, H2, H*2, H2O2, квантов света, то этот поток тоже за границей качества, т.к. его структура все время изменяется. Детектор - фотопластинка, тоже за границей качества, сразу после первого же взаимодействия Н и AgBr. Итак, мы имеем все три взимодействующих элемента, расположенных за границей качества! Поверхность Si сразу после удаления окисла эмиттирует масимальное количество ВВ, и начинает возвращаться к начальному состоянию т.е. старается защититься окислом, уходя от границы качества влево. А вот поток и фотоэмульсия начинают, как я полагаю, работать по законам, приведенным Г.Скворцевым в своей книге "Система законов природы"..Это закон аномальности, закон концентрации ресурса и закон чередования режимов. Наш поток встречаясь с поверхностью фотопластинки, частично взимодействует с ней, а частично изменяет направление и движется вдоль поверхности, все время то распадаясь на Н, то объединяясь в ВВ. Если взаимодействие ВВ с пластинкой прошло с передачей энергии возбуждения зернам эмульсии, то остается Н2, который может перемещаться вдоль поверхности фотопластинки. Если прошла химическая реакция, то HBr также может перемещаться как по поверхности, так и в самой фотоэмульсии, особенно с периферии пятна. Это может привести к тому, что область, рядом с будущим черным пятном, будет защищена от контакта с ВВ. Далее, за белым кольцом образуется область первого черного кольца, контакт ВВ с поверхностью эмульсии есть, а образующиися H2 и HBr перемещается влево и вправо от области первого черного кольца, защищая первое белое кольцо и готовя область второго белого кольца. Конечно, я не могу гарантировать, что в действительности так все происходит, но как оказалось, этот на первый взгляд простой процесс очень сложен. Интересно, может ли этот эффект найти практическое применение, например, для измерения каких либо параметров? Я полагаю, что теперь читатель понял почему мне хотелось дать название "как не надо решать научные задачи" - затрачено много времени, а красивого решения нет.

В.Митрофанов.