Итоговая работа (Практика в Лаборатории биофизических и специальных информационно-измерительных систем), страница 2
Описание файла
Файл "Итоговая работа" внутри архива находится в папке "Практика в Лаборатории биофизических и специальных информационно-измерительных систем". Документ из архива "Практика в Лаборатории биофизических и специальных информационно-измерительных систем", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "практика" из 6 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "технологическая практика (летняя)" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Итоговая работа"
Текст 2 страницы из документа "Итоговая работа"
-
Особенности работы средств измерений, применяемых в нанотехнологиях
Специфика работы с наноматериалами обусловлена их характерными размерами. Изучение свойств и манипулирование объектами на этом уровне предполагает создание принципиально новых средств измерений, обладающих высочайшей точностью, а также отсутствие факторов, загрязняющих объекты исследования. Для обеспечения последнего создаются специальные лаборатории – чистые помещения.
3.1 Чистые помещения
В состав лаборатории входят уникальные измерительные средства преимущественно иностранных производителей, таких как «Carl Zeiss», «Veeco», «Malvern Instruments» и т.д.
Для наиболее эффективной и наиболее точной работы данного оборудования, а также учитывая, что данная лаборатория работает с микрообъектами, были созданы специальные технологические помещения (рисунок 4, а) с нормируемыми параметрами (таблица 1) окружающей среды. Класс чистоты в основной рабочей зоне не ниже 5 по ГОСТ ИСО-14644-1-2002 (классификация помещений по чистоте – таблица 2).
Рисунок 4 – Чистые помещения и оснащение: а) – чистое помещение; б) – климатическая установка
Таблица 1 – Основные параметры технологических помещений
| Площадь чистой зоны, кв. м | 100 |
| Класс чистоты по ГОСТ ИСО-14644-1-2002 | 5-7 |
| Температура, °С | 20-24 |
| Влажность, % | 60-75 |
| Стабильность температуры, град/час | 0,5 |
| Стабильность влажности, %/час | 1 |
| Максимальное энерговыделение аппаратуры, кВт | 7 |
| Максимальное число работающих, чел. | 8 |
Таблица 2 – Классы чистоты по взвешенным в воздухе частицам для чистых помещений
| Класс ИСО (Классификационное число N) | Пределы максимальных концентраций (частицы/м3 воздуха) частиц размером, равным и большим приведенного ниже, мкм | |||||
| 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,5 | 1,0 | 5,0 | |
| Класс 1 ИСО | 10 | 2 | ||||
| Класс 2 ИСО | 100 | 24 | 10 | 4 | ||
| Класс 3 ИСО | 1 000 | 237 | 102 | 35 | 8 | |
| Класс 4 ИСО | 10 000 | 2 370 | 1 020 | 352 | 83 | |
| Класс 5 ИСО | 100 000 | 23 700 | 10 200 | 3 520 | 832 | 29 |
| Класс 6 ИСО | 1 000 000 | 237 000 | 102 000 | 35 200 | 8 320 | 293 |
| Класс 7 ИСО | 352 000 | 83 200 | 2 930 | |||
| Класс 8 ИСО | 3 520 000 | 832 000 | 29 300 | |||
| Класс 9 ИСО | 35 200 000 | 8 320 000 | 293 000 | |||
В воздушной среде чистого помещения контролируется концентрация взвешенных частиц - аэрозолей (и/или максимально допустимое количество жизнеспособных микроорганизмов); сведено к минимуму поступление частиц извне; сведено к минимуму выделение и удержание частиц. Для поддержания этих условий создана климатическая система (рисунок 4, б), которая работает в непрерывном режиме. Чистота окружающей среды проверяется каждую рабочую смену с помощью специального оборудования.
Требуемый класс чистоты устанавливается, как правило, не для типа оборудования, а для обеспечения какого-либо технологического процесса или выполнения каких-либо измерений.
Например, для производства изделий микроэлектроники требуются помещения, обеспечивающие класс чистоты 3-5. Для сборки объективов литографических машин требуется класс чистоты не ниже 3.
Следует иметь в виду, что, как правило, ограждающие конструкции чистых помещений «работают» в широком диапазоне классов чистоты. Поэтому основные требования предъявляются к климатическим установкам и спецодежде, поскольку персонал является основным «загрязняющим» фактором.
Так, например, широко применяемые в климатических установках НЕРА фильтры обеспечивают получение классов чистоты не выше 5. Поэтому для достижения более высокого класса требуется применение УЛПА фильтров.
Использование в качестве спецодежды шапочек, халатов и одноразовых бахил не позволяет обеспечить класс чистоты выше 7. Для достижения более высокого класса необходимо использовать комбинезоны (рисунок 5, а).
Такие комбинезоны изготавливаются из специальной ткани (Aclean JC: 99% полиэстер, 1% углеродная нить) со вставками фильтромодулей и позволяют обеспечить класс чистоты 3 – 6.
Для достижения более высоких классов используются изолирующие скафандры.
Отделка помещений производится пылеоотталкивающими материалами, обладающими антистатическими свойствами. Требуется создание тамбуров, мест хранения спецодежды и спецобуви (рисунок 5, б). Применяется мебель, обладающая пылеотталкивающими свойствами. Перед входом в чистое помещение помещают многослойный очищающий липкий коврик (рисунок 5, в), удаляющий частицы с подошвы персонала. Листы удаляются последовательно по мере загрязнения.
Рисунок 5 – Оснащение чистых помещений: а) – комбинезон; б) – шкаф для хранения спецодежды; в) – многослойный очищающий липкий коврик перед входом в чистое помещение
Уровень ЭМ полей в помещениях не должен превышать 3 мГн по магнитной составляющей. В случае превышения необходимо создание экранированных помещений. Для снижения помехового фона, обусловленного акустическими шумами и вибрациями необходимо выделение помещений на нижних этажах здания вдали от лифтовых шахт, мастерских.
Требования к электропитанию и заземлению – по ГОСТ 27487.
В чистых помещениях обеспечены параметры гигиенические (по необходимому притоку свежего воздуха) и эргономические (освещенность, уровень шума и др.)
3.1 Ознакомление с работой измерительных приборов нанодиапазона
Ниже перечислены и кратко описаны некоторые измерительные приборы, применяемые в нанотехнологиях и, в частности, в данной лаборатории.
-
Электронный микроскоп – высоковакуумный высоковольтный прибор, в котором для получения увеличенного изображения используется сфокусированный электронный пучок; позволяет получать изображение объекта с увеличением до 106 раз. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000 раз превосходит разрешение современных оптических микроскопов, и может составлять несколько ангстрем. Если проводить аналогию между оптическим и электронным микроскопами, то вместо светового потока следует рассматривать высокоэнергетический пучок электронов. Для получения изображения в электронном микроскопе используются магнитные линзы, управляющие движением электронов в вакуумированной колонне прибора при помощи электромагнитного поля. Наиболее часто встречаются приборы двух типов: просвечивающий (трансмиссионный) и сканирующий (растровый) электронные микроскопы (рисунок 6). Последний позволяет получать данные не только о поверхности образца, но и о его химическом составе.
Рисунок 6 – Схемы просвечивающего (слева) и сканирующего (справа) электронных микроскопов
В лаборатории находятся в эксплуатации просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) Libra 120 (рисунок 7, а) и растровый электронный микроскоп NVision 40 фирмы «Carl Zeiss» (рисунок 7, б). Их технические характеристики представлены в таблицах 3 и 4.
Рисунок 7 – Электронные микроскопы: а) - просвечивающий Libra 120; б) – растровый NVision 40
Таблица 3 – Технические характеристики просвечивающего электронного микроскопа Libra 120
| Ускоряющее напряжение | до 120000 В или выше |
| Катодный узел | для работы с W-катодом и LaB6-катодом или с автоэмиссионным катодом Шоттки |
| Диапазон увеличений | от 8х до 630000х |
| Разрешающая способность | по линии не хуже 0,2 нм по точкам не хуже 0,34 нм |
| Вакуумная система | раздельная откачка участков ПЭМ (пушка/колонна/камера наблюдения) |
| Система получения изображения | цифровая камера с разрешением до 10000х10000 пикселей |
| Дополнительное оборудование | имеется возможность установки на микроскоп: - энергодисперсионного спектрометра с разрешением не хуже 136 эВ; - ограничителя луча; - сканирующей приставки с разрешением 1.5/2.0/2.0 нм; - детекторов: - вторичных электронов; - отраженных электронов; - электронов, рассеянных под высокими углами; - темного поля; - светлого поля |
Таблица 4 – Технические характеристики растрового электронного микроскопа NVision 40
| Электронная пушка | автоэмиссионный катод типа Шоттки. Стабильность пучка по току не хуже 0,2%/ час / 0,4%/сутки |
| Ионная пушка | на базе Ga-источника |
| Ускоряющее напряжение электронной пушки | от 100 до 30000 В (шаг 10 В) |
| Ускоряющее напряжение ионной пушки | от 2000 до 30000 В |
| Сканирование и литография | с разрешением до 50 нм |
| Диапазон увеличений | От 12х до 900000х |
| Разрешающая способность электронной колонны | 0,8 нм при использовании STEM-детекторов |
| Разрешающая способность ионной колонны | 4 нм |
| Вакуумная система | - безмасляная; - рабочий высокий вакуум в камере не хуже 2·10-6 гПа; - рабочий высокий вакуум в пушках не хуже 2·10-9 гПа |
-
Сканирующий туннельный микроскоп – вариант сканирующего зондового микроскопа, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем (рисунок 8). При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1—1000 пА при расстояниях около 1 Å.
В процессе сканирования игла движется вдоль поверхности образца, туннельный ток поддерживается стабильным за счёт действия обратной связи, и показания следящей системы меняются в зависимости от топографии поверхности. Такие изменения фиксируются, и на их основе строится карта высот. Другая методика предполагает движение иглы на фиксированной высоте над поверхностью образца. В этом случае фиксируется изменение величины туннельного тока и на основе данной информации идет построение топографии поверхности.
