Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 5

По данным [4] к настоящему времени 670 фирм США подключилиськ проведению исследований, связанных с нанотехнологиями, а всего в мире об этом объявили около 1,5 тыс. компаний.Согласно ННИ до 2020 года должны последовательно появиться четыре поколения продуктов с использованием нанотехнологий. Первое поколение (2000-2005) называется «пассивные наноструктуры», а попросту –нанопорошки, которые можно добавлять в разные материалы: полимеры,керамику, металлы, покрытия, лекарства, косметику, пищу и прочие товары народного потребления. Сегодня в США производится несколько сотвидов товаров, в которых можно обнаружить присутствие таких нанопорошков, и можно считать, что первое поколение уже освоено промышленностью.Второе поколение (2005 – 2010) – «активные наноструктуры» - предусматривает создание нанобиотехнологий, нейроэлектронных интерфейсов, наноэлектромеханических систем и т.п.

Это поколение пока находитсяв лабораториях, на уровне создания прототипов.Третье поколение (2010 – 2015) – «системы наносистем», то естьуправляемая самосборка наносистем, трехмерные сети, нанороботы и т.п. –пока лишь на стадии исследований.И, наконец, четвертое поколение (2015 – 2020) – «молекулярныенаносистемы», то есть молекулярные устройства, атомный дизайн – существует только в виде концепции.1.3.

Положение России в сфере наноиндустрииПо данным западного агентства LUX Rescarch мировыми лидерами вобласти нанотехнологий на сегодня безоговорочно стали США, Япония,Южная Корея и Германия. За ними устремилась группа «мечтателей». Этостраны с высокими темпами развития в данной сфере – Великобритания,Франция и Китай. На «пятки им наступают» страны с ограниченными ресурсами, но с развитыми промышленными технологиями – Швеция,Швейцария, Нидерланды, Сингапур и Израиль.21К сожалению, Россия входит пока в «младшую лигу» и ее окружаютИндия, Бразилия, Канада и Австралия. Остальные страны мира в «наноаспекте» и не рассматриваются, хотя известны определенные достижения вэтой области например, в Украине, Беларуссии, Венгрии.

Россия ужевключилась в «гонку за лидером» по формированию наноиндустрии.Надо отметить, что уже в начале XXI века в России в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на2002 – 2006 годы появился раздел «Индустрия наносистем и материалы».Приказом № 73 от 05.03.2001 года Госстандарт (ныне Ростехрегулирование) создает комитет ТК 441 «Нанотехнологии и наноматериалы», который вошел в Международную структуру ИСО/ТС 229 «Нанотехнологии».В состав ТК 441 вошли: Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ), Институт радиотехники иэлектроники РАН, Всероссийский научно-исследовательский институтметрологической службы, Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений, Физико-технологический институтРАН, Физико-технический институт им. А.Ф.

Иоффе РАН, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Центр фотохимии РАН, Научнотехнологический центр уникального приборостроения РАН, Институт физики полупроводников СО РАН, Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН, Технологический институтсверхтвердых и новых углеродных материалов, Государственный научноисследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет», фирма НТ-МДТ (г. Зеленоград), Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш», Московский институт стали и сплавов, Московский физико-технический институт.НИЦПВ стал также координатором проекта «Метрологическое обеспечение нанотехнологий» в рамках Международной организации КООМЕТ поевропейско-азиатскому сотрудничеству в области метрологии (Россия, Беларусь, Украина, Словакия, Германия).Российская ТК 441 «Нанотехнологии» взаимодействует не только сИСО/ТК 229 «Нанотехнологии», но и Международным комитетомМЭК/ТК 113 «Стандартизация в области нанотехнологий электротехнической, электронной продукции и систем».

ТК 441 включает четыре подкомитета: ПК 1 «Терминология»; ПК 2 «Измерение и характеристики»; ПК 322«Обеспечение безопасности, здоровья и экологические аспекты нанотехнологий» и ПК 4 «Спецификации наноматериалов».В дальнейшем в рамках президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии» (№ Пр-688 от 24 апреля 2007 года) разработана Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии вРоссийской Федерации на 2008-2010 годы», принятая ПравительствомРоссийской Федерации 7 сентября 2007 года.Метрологические аспекты наноиндустрии отражены в отдельных документах: «Стратегия обеспечения единства измерений в России на 2008 –2010 годы и до 2015 года», принятая Правительством Российской Федерации от 20 сентября 2007 года, и «Концепция обеспечения единства измерений, стандартизации, оценки соответствия и безопасности использованиянанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года».Согласно «Концепции» стратегической целью является создание эффективной Российской системы стандартизации, обеспечения единства измерений, безопасности и оценки соответствия конкурентоспособных нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии, необходимыхдля создания высокотехнологичного российского сектора наноиндустрии,способного паритетно конкурировать с ведущими странами мира на внутреннем и внешнем рынках нанопродукции в ключевых областях обеспечения обороноспособности, технологической безопасности и экономическойнезависимости государства, повышения качества жизни населения.Следует отметить, что подавляющее число документов рассчитаныдо 2015 года включительно.

Это объясняется тем, что с 2015 года странадолжна перейти в область новых технико-технологических реалий и болеесовершенных социально-экономических взаимоотношений.По Федеральной целевой программе «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008 – 2010 годы» приоритетамив рамках перспективных направлений развития нанотехнологий и наноматериалов являются:• наноэлектроника и наноинженерия;• функциональные наноматериалы для энергетики;• функциональные наноматериалы для космической техники;• нанобиотехнологии;• конструкционные наноматериалы;• композитные наноматериалы;23•информационная безопасность в наноиндустрии.Естественно, все эти приоритеты предполагают и соответствующееметрологическое обеспечение на базе нанометрологии.Надо отметить, что еще в 2002 году при Президиуме РоссийскойАкадемии наук создается «Научный совет по наноматериалам».

Однакофинансирование фундаментальных исследований составляло мизерныеобъемы и не способствовало решению актуальных задач наноиндустрии.По прогнозам аналитиков особое внимание привлекут к себе наноматериалы (нанотрубки, материалы для солнечной энергетики, топливныеэлементы нового типа), биологические наносистемы, наноустройства наоснове наноматериалов, наноизмерительная техника, нанообработка. В наномедицине прогнозируется метод лечения не болезни, а индивидуальночеловека по его генетической информации, причем медикаментами с адресной нанодоставкой.В особую область нанонауки выделена область, связанная с моделированием наносистем, поскольку успешное манипулирование с нанообъектами возможно только после тщательного изучения их свойств и характеристик, полученных с помощью модельных экспериментов.Переход к нанотехнологии поставил перед наукой и техникой рядновых специфических задач, обусловленных малыми размерами элементовструктур, с которыми имеет дело нанотехнология, а история развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы, методов и средствизмерений.Фундаментальные исследования, связанные с прямыми измерениямифизико-химических параметров веществ и материалов нанотехнологии,элементов и устройств нанотехники, требуют понимания закономерностейвзаимодействия измерительного средства с объектом измерения.

Поэтомуособую важность приобретают вопросы метрологии и стандартизации таких измерений, их метрологического обеспечения, вопросы передачи размера единицы физической величины в нанометровый диапазон, характеризующийся своими специфическими особенностями.Вся деятельность человека может быть охвачена единой шкалойразмеров, в основе которой заложен Первичный эталон единицы длины –метр.

Разные отрасли экономической деятельности человека занимаютразные области на этой шкале (рис. 1.3).24Рис. 1.3. Диапазоны размеров, изпользуемые в различных отраслях экономикиТаблица 1.2Планируемые в Международной Программе развития полупроводниковой промышленности минимальные размеры элементов микросхем погодам [8]ТехнологическиеГодыхарактеристики2001 2004 2007 2010 2013 2016 2018Критический размер (КР), нмТочность измерений КР, нм1301,3900,9650,6450,4320,3220,2180,18В конце XX и начале XXI века на передний план развития выдвигаются высокие технологии, главными из которых являются микроэлектроника и нанотехнология. Микроэлектроника оперирует с элементами рельефа поверхности твердого тела, имеющими минимальные размеры (критические размеры) в сотни нанометров, и в ближайшие годы ожидается переход к десяткам нанометров, а нанотехнология оперирует с характернымиразмерами от сотен нанометров до десятых долей нанометра (расстояниемежду атомами в твердом теле).

При этом необходимо учесть, что эволю25ция технологии микроэлектроники в нанометровую область опережаетпрогнозы аналитиков (табл. 1.2).Эти обстоятельства подчеркивают необходимость решения проблемы создания методов и средств линейных измерений в нанометровомдиапазоне и обеспечении единства таких измерений.В табл. 1.3 приведен перечень физических величин, подлежащих измерению в наноиндустрии. Из таблицы очевидны метрологические требования, которые должны быть предъявлены к техническим средствам длядостижения заданной точности измерения.Таблица 1.3Диапазоны измерений в наноиндустрииФизическая величинаДлина, мМасса, кгВремя, сТемпература, КДавление, ПаРасход, м3/сПлотность, кг/м3Концентрация, см3Диапазонизмерений10-11 ÷ 110-15 ÷ 10210-16 ÷ 1061 ÷ 320010-11 ÷ 10310-7 ÷ 101710-1 ÷ 1041010 ÷ 1022Физическая величинаДоля примесей, %Сила тока, АНапряжение, ВМощность, ВтИндуктивность, ГнЕмкость, ФСопротивление, ОмЧастота, ГцДиапазонизмерений10-8 ÷ 10-610-16 ÷ 10210-11 ÷ 10510-17 ÷ 101010-18 ÷ 10210-19 ÷ 110-7 ÷ 101710-4 ÷ 1010НИИизмерения последнее десятилетие уделяет этой проблеме серьезное внимание.

Созданы специальное оборудование, методики и средства,решающие ряд проблем нанометрологии, в том числе:- меры для воспроизведения параметров длин в нанометровом диапазоне;- образцовые меры для воспроизведения параметров внутренних иповерхностных напряжений;- меры ширины раскрытия и глубины трещин;- устройство механическое для тонкой подачи с нанодискретностью5 – 10 нм;- приборы с электронным индикатором контакта.Первичный эталон длины, вошедший в XXI век, базируется на трехвеликих открытиях ХХ века.Во-первых, это открытие и бурное развитие лазеров – источниковмонохроматического излучения с высокой степенью пространственной и26временной когерентности.