Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 53

Эти средства измерений должны обладать новыми функциональными возможностями, расширенными диапазонами измерений и повышенной точностью,что ужесточает требования к уровню обеспечения единства измерений встране. В первую очередь, это относится к точности, диапазонам измерений и функциональным возможностям первичных эталонов и обусловливает необходимость их направленного совершенствования, а также, возможно, и создания для России новых, исходных эталонов. Понятно, чторешение проблем МО нанотехнологий не ограничивается совершенствованием эталонов, требуется модернизация существующего и создание болеесовременного, отвечающего новым задачам поверочного оборудования, атакже разработка нормативных документов на методы и средства поверкиизмерений, применяемых в наноиндустрии и других областях использования нанотехнологий, на методики выполнения измерений в связи с развитием нанотехнологий.Заслуживающим внимания становится факт появления многочисленных публикаций о модернизации международной системы физических величин (СИ) на основе фундаментальных физических констант.

Естественно, это, в первую очередь, коснется и нанометрологии. В литературе [3]появился даже термин «квантовый метрологический треугольник» или«метрологическая триада», включающая квантовые эталоны трех единиц:напряжения (U ) , частоты (ν ) и силы тока (I ) (рис.

5.10).Так называемый квантовый электрический стандарт базируется навзаимосвязи квантовых проявлений: эффекта Джозефсона, эффекта Холлаи эффекта одноэлектронного туннелирования.271По данным Национального института стандартов и технологий США(NIST) (см. журнал «Управление качеством», № 12, 2008, с. 40 – 44) на пути нанотехнологических инноваций существует ряд «метрологическихбарьеров».Рис. 5.10. «Метрологическая триада» − квантовый электрический стандартОтсутствие достаточного количества измерительных преобразователей и устройств, предназначенных для:- обнаружения и последующего лечения заболеваний, вызванныхинфекциями и нарушениями питания, включая авитаминоз;- решения задач в области здравоохранения;- выявления и прослеживания развития патогенных микроорганизмов в пищевых и сельскохозяйственных продуктах и культурах;- использования в наносепараторах и нанобиореакторах;- обеспечения безопасности для здоровья человека пищевых продуктов;- количественного описания влияния окружающей среды и деградации почв;- создания предохраняющих от загрязнений наноповерхностей (например, при упаковке продуктов).• Необходимость обеспечения широкого диапазона измерений, связанных с исследованиями, описаниями свойств, синтезом новых наноматериалов, а именно:- с описанием и разработкой путей, методик и средств измеренийсвойств наноматериалов;- разработкой путей развития инфраструктуры;272- разработкой национальных стандартов и международных соглашений, касающихся синтеза и анализа наноматериалов;- созданием строгой и четкой системы практической метрологии впромышленности;- разработкой зондов и измерительных головок для выполнения измерений и моделирования в процессе синтеза наноматериалов;- измерениями воздействий наноматериалов на окружающую среду,здоровье и безопасность людей.• Потребность в разработке системы метрологического обеспечения процессов создания наноструктур в качестве оптимизированных переносчиков энергии.• Потребность в системе метрологического обеспечения (включаятерминологию, теорию, отображение информации и формирование изображений, моделирование), позволяющей использовать структуры и принципы их функционирования при компоновке новых наноматериалов, предназначенных для использования в энергетике (перенос массы и энергии,регистрация данных, преобразование, производство).• Потребность в разработке системы метрологического обеспечения и соответствующей инфраструктуры, адаптированной применительнок специфике синтеза наноматериалов для специальных применений в энергетике (например, при создании углеродных нанотрубок для хранилищ водорода).• Необходимость описания свойств наноразмерных цеолитов и наноструктур, применяемых в катализаторах химических процессов при контроле состояния окружающей среды.• Потребность в разработке системы метрологического обеспечения, необходимой для синтеза технологии изготовления диспергированныхсуспензий наночастиц без абсорбирующих добавок.• Потребность в метрологическом обеспечении новых нанопреобразователей и других технических средств для обнаружения химических,биологических, радиологических и взрывоопасных веществ и материалов;наноматериалов для усовершенствования защитной одежды и фильтров, атакже средств защиты от нападений.При этом некоторые количественные оценки «веса» («важности»)тех или иных барьеров можно установить из диаграммы рис.

5.11.273Весьма важно установить источники, влияющие на точность измерений в сфере наноиндустрии. Конечно, таких источников бесчисленноемножество, главные должны быть выявлены и максимально детализированы. Например, микроскопия нанообъекта с помощью РЭМ обладает рядомпреимуществ, перечисленных в гл. 2, но измерение линейных размеровмикроструктуры осуществляется по сколу образца.Однако при этом возникает ряд трудностей:• иногда скол образца невозможно осуществить физически;• скол очень трудно получить под нужным углом;• полученный образец трудно установить под нужным углом относительно электронного зонда;• для уменьшения случайной погрешности измерений надо исследовать несколько сколов, что усложняет сам эксперимент;• если скол установлен не перпендикулярно электронному зонду,то изображение получается размытым.В атомных силовых микроскопах щуп кантилевера с радиусом,соизмеримым с размером атома, при измерении позиционируется в окрестности действия атомных сил.

Таким образом, область контакта междунаконечником и поверхностью может быть в пределах размера атома. Величина усилия между наконечником и сканируемой поверхностью используется в качестве показателя местоположения щупа в процессе сканирования. Наконечник, который закрепляется на щупе, реагирует на величинуэтого усилия.

По этой реакции наконечника определяются механическиесвойства поверхностей исследуемых объектов и их геометрия.Поэтому точность работы кантилевера и острия щупа определяетдостоверность регистрирующих результатов. То есть измерения могутпроисходить на уровне одного атома или его долей. И примеры тому ужепоявляются. Так испанские ученые из каталонского Исследовательскогоцентра по нанонауке и нанотехнологиям сконструировали весы, способныевзвесить один атом. Устройство представляет собой углеродную нанотрубку, натянутую подобно струне между двумя электродами.

Если какаято молекула прилипнет к нанотрубке, то частота ее колебаний изменится, иэто изменение будет связано с весом молекулы. При комнатной температуре чувствительность прибора составляет 25 цептограмм (10-21 грамма), ав жидком гелии повышается до 1,4 цептограмма.274275Рис. 5.11. Метрологические барьеры в сфере нанотехнологий:1 – приемлемость; 2 – доступность; 3 – точность; 4 – сбор и корректировка данных; 5 – экологическая опасность; 6 – затраты; 7 –недостаток фундаментальных знаний; 8 – многозначность решений; 9 – отсуствие стандартов; 10 – неготовность к производству;11 – надёжность; 12 – разрешающая способность; 13 – слабые потребности рынка; 14 – скорость (быстрота) реализации; 15 – уровень систематизации; 16 – трудозатратыВ принципе такой нанотрубкой можно измерить вес молекулы с точностью до атома.

Однако ученые не хотят останавливаться на достигнутоми планируют в ближайшее время поднять чувствительность в тысячу раз,до 0,001 цептограмма. Этого хватит для измерения веса отдельного нуклона. Таким прибором можно будет проводить тончайшие исследования,например проследить, как прицепившуюся к нанотрубке молекулу покидает атом водорода.Решение проблемы суперпрецизионных измерений геометрических параметров наноструктур и наноперемещений открывает путь к технологиям XXI века, базирующимся на манипулировании отдельными атомами вещества.

В первую очередь, это интегральная микроэлектроника,где уменьшение характерного размера одного элемента микросхемы в nраз ведет к возрастанию ее информационной емкости в n5-n6 крат. Суперпрецизионное позиционирование, обеспечиваемое суперпрецизионнымизмерением перемещений, позволит довести характеристический размерэлемента до 5 – 10 нм, что обеспечит создание интегральных схем сверхбольшой концентрации и сверхвысокого быстродействия на основе разнообразных эффектов туннелирования.