Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию

Федеральное агентство по образованиюГосударственное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияВладимирский государственный университетА.Г. СЕРГЕЕВВВЕДЕНИЕ В НАНОМЕТРОЛОГИЮУчебное пособиеДопущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области прикладной математики и управления качеством вкачестве учебного пособия по специальностям «Метрология и метрологическое обеспечение» (200501) и «Управление качеством» (220501)Владимир 2010УДК 006.91ББК 30.10C32Рецензенты:Директор Федерального государственного учреждения «Владимирский центрстандартизации, метрологии и сертификации», кандидат технических наукГ.

И. БарашковПроректор по инновациям и стратегическому развитию Владимирского государственного университета, доктор физико-математических наук, профессорС. М. АракелянПечатается по решению редакционного советаВладимирского государственного университетаС32Сергеев, А. Г.Введение в нанометрологию: учеб. пособие / А. Г. Сергеев; Владим. гос.ун-т.

– Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. – 296с.ISBN 978-5-9984-0027-8Пособие содержит основные сведения по метрологическому обеспечениюразличных технологических операций в сфере наноиндустрии. Рассмотрены становление в XX – XXI вв. и концепции развития нанометрологии. Подробно изложены современные основы технического обеспечения нанометрологии. Освещены вопросы нестабильности, точности и неопределенности наноизмерений.Особое внимание уделено основным метрологическим операциям – поверке икалибровке сканирующей зондовой микроскопии.Изложены организационные принципы нанометрологии в России. Приведен перечень вузов, работающих в сфере наноиндустрии, и основные направления их исследований в данной области.Предназначено для студентов и аспирантов, изучающих вопросы нанотехнологии, а также может быть полезно инженерно-техническим работникам, связанным с проблемами наноиндустрии.УДК 006.91ББК 30.10© Владимирский государственныйISBN 978-5-9984-0027-8университет, 20102ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .........................................................................................................

5 ГЛАВА 1. СТАНОВЛЕНИЕ НАНОИНДУСТРИИ И КОНЦЕПЦИЯНАНОМЕТРОЛОГИИ ...................................................................................... 10 1.1. Возникновение нанометрологии ...................................................... 10 1.2. Нанометрология за рубежом ............................................................ 16 1.3. Положение России в сфере наноиндустрии....................................

21 1.4. Концепция развития нанометрологии ............................................. 29 ГЛАВА 2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАНОМЕТРОЛОГИИ ....... 37 2.1. Методы и средства интерференционных измерений ..................... 37 2.2. Использование принципов микроскопии в наноизмерениях ........ 45 2.2.1. Оптическая микроскопия ........................................................... 45 2.2.2.

Электронная микроскопия ......................................................... 53 2.3. Сканирующая зондовая микроскопия ............................................. 68 2.3.1. Виды сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) ............... 68 2.3.2. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)........................ 70 2.3.3. Атомно-силовой микроскоп (АСМ) .........................................

84 2.4. Разновидности ближнепольной микроскопии .............................. 102 2.5. Спектроскопия в нанометрологии ................................................. 114 2.6. Сравнительный анализ технических средств нанометрологии .. 127 ГЛАВА 3. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ, ТОЧНОСТЬ ИНЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ НАНОИЗМЕРЕНИЙ ........................................... 139 3.1. Основные положения ...................................................................... 139 3.2. Измерение линейных размеров рельефных наноструктур .......... 142 3.3. Точность измерения линейных наноразмеров.............................. 148 3.4. Погрешности измерения длины волны и частоты лазера ........... 154 3.5. Нестабильность мощности излучения лазеров .............................

159 3.6. Разрешающая способность растрового электронногомикроскопа ........................................................................................ 161 3.7. Оценка расходимости лазерного излучения ................................. 163 3.8. Особенности наноизмерений в АСМ-режиме .............................. 165 3.9. Введение концепции неопределенности ....................................... 170 3.10. Погрешность и неопределенность ............................................... 175 3.11. Этапы оценивания погрешностей и неопределенностей........... 179 3.12. Пример вычисления погрешности эталона (по даннымВНИИМ) ............................................................................................

185 3ГЛАВА 4. ПОВЕРКА И КАЛИБРОВКА В СФЕРЕНАНОМЕТРОЛОГИИ .................................................................................... 187 4.1. Общие сведения ............................................................................... 187 4.2. Рельефные меры для нанометрового диапазона ..........................

198 4.2.1. Классификация тест-объектов ................................................. 198 4.2.2. Поверка рельефной меры ......................................................... 203 4.2.3. Калибровка рельефной меры ................................................... 213 4.3. Измерительные растровые электронные микроскопы (РЭМ) .... 217 4.3.1. Поверка растровых микроскопов ............................................ 217 4.3.2.

Стандартная калибровка растровых микроскопов ................ 222 4.3.3. Калибровка РЭМ по двум координатам ................................. 225 4.4. Атомно-силовые измерительные зондовые микроскопы(АСМ) ................................................................................................ 228 4.4.1. Поверка АСМ ............................................................................ 228 4.4.2. Калибровка АСМ ......................................................................

231 4.4.3. Калибровка АСМ по трем координатам ................................ 236 ГЛАВА 5. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ НАНОМЕТРОЛОГИИ .... 241 5.1. Основные положения ...................................................................... 241 5.2. Стандартизация и сертификация в наноиндустрии ..................... 249 5.3.

Цели и задачи Регионального отделения ЦМО ............................ 253 5.4. Управление деятельностью РО ЦМО ............................................ 254 5.5. Направления работ в области нанометрологии ............................ 261 5.6. Организация исследований и кадровое обеспечениенаноиндустрии .................................................................................. 263 5.7.

Проблемы и задачи нанометрологии ............................................. 270 ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................... 281 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ...........................................................

293 4ВВЕДЕНИЕВ начале XXI века слова «нанотехнология», «наноиндустрия», ранееизвестные относительно узкому кругу специалистов, стали широко использоваться практически во всех сферах деятельности человека. Полагают, что термин «нанотехнологии» впервые ввел в 1974 г. японский исследователь Танигути [1].Правда, российский академик А.И. Русанов считает, что само слово«нано» – это жаргон, внесенный неспециалистами в коллоидную химию.Ученые, давно работающие в области коллоидной химии с мелкораздробленными частицами, употребляют классический устоявшийся термин«ультрадисперсные системы». Академик сетует: «получается, что если выражаться правильным научным языком, то финансирования не получишь,потому что пропуском сейчас звучит только «нано».

Тем не менее, корректировка понятий вряд ли состоится из-за широкого распространения слова«нано» во всем мире.Вообще, термины «наноиндустрия», «нанотехнология», «нанометрология» и т.п. лингвистически некорректны, т.к. приставка «нано» придаетцелому слову весьма уменьшительный оттенок, что не соответствует характеру термина (не может быть очень маленькой индустрии, технологииили метрологии). Поэтому приставка «нано» здесь характеризует лишьобъект наблюдения или производства.Итак, слово «нано» означает одну миллиардную долю чего-либо.Поэтому нанометр (нм) – миллиардная часть метра. Это примерно размератомов, от взаимного расположения и количества которых зависит вид того или иного вещества, а также его свойства.

1 нм = 10-9 м и составляет 10ангстрем (1 нм = 10 Ǻ).Нелишне помнить, что все органические вещества, вирусы, бактерии,животные и люди образованы всего из трех наименований атомов (с небольшими добавками) – углерода, кислорода и водорода. Все зависит от5формы кристаллической решетки или структуры химической молекулы,содержащей атомы. Действительно, одни и те же атомы углерода в однойструктуре образуют мягкий графит, а в другой – образец твердости – алмаз. Ученые говорят: «Твердое тело – это не то, что ощущается твердым, ато, что имеет упорядоченную структуру».Если состав физических и химических веществ ученые научилисьопределять довольно быстро, то сложнее было изучать взаимное расположение атомов.