Сергеев А.Г. - Введение в нанометрологию, страница 6

Оно внесло в метрологию линейных измеренийвозможность перехода от линии излучения криптона-86 к излучению лазера, обладающего более высокой стабильностью и добротностью.Во-вторых, прямые измерения частоты оптического излучения высокостабилизированного гелий-неонового He-Ne-лазера позволили определить скорость света с, исходя из соотношенияс = λν ,где частота ν определена, исходя из эталона частоты, а длина волны λ –исходя из определения эталона метра.Третьим открытием является постоянство скорости света в любойинерциальной системе координат.Вместо двух основных первичных эталонов (длины и времени) решено использовать новые основные эталоны: скорость света и частоту.На IX Сессии Консультативного комитета по длине в сентябре 1997года рекомендованные значения частоты и длины волны излучения HeNe/J2-лазера, стабилизированного по линии насыщенного поглощения вмолекулярном йоде (J2), составилиν = 4736122147 05 кГц ,λ = 632 ,99139822 нм.Так появился «световой метр», равный длине пути, проходимогосветом за 1/299792458 часть секунды.

Здесь скорость света в вакууме объявлена важнейшей фундаментальной константой физики с = 299792458 м / с.Первичный эталон метра, реализующий этот физический принцип,обеспечивает воспроизведение единицы длины (метра) с относительнымсреднеквадратическим отклонением (неопределенностью) 2 ⋅ 10 −11 . Такимобразом, за промежуток времени немногим более 100 лет (активная жизньтрех поколений) точность эталона метра увеличилась более чем на четырепорядка (10000 раз).Наноиндустрия, имеющая дело с объектами, размеры которых непревосходят размеров атома, уже сейчас требует решения проблемы единства линейных измерений в нанометровом диапазоне.Наноизмерения осуществляют с помощью сложных приборов – электронных и атомно-силовых микроскопов, однако для их применения нужно провести калибровку, то есть создать специальные «нанолинейки».Создавать «нанолинейки» с использованием интерферометров начали вначале 90-х годов прошлого века.

Современный интерферометр позволяет27измерять перемещение тел с точностью до долей диаметра атома, это достигается детектированием изменения картин интерференции трёх световыхпотоков от одного источника лазерного излучения. Пожалуй, наибольшегоуспеха в области создания «нанолинеек» добились исследователи Массачусетского технологического института, которые методом растровой интерференционной литографии на пластине с фоторезитом диаметром 300мм нанесли периодические насечки, создав таким образом, своеобразнуюлинейку с ошибкой измерения длины в 1,1 нм.

Не отстает от мировогопрогресса и Россия, где производят аналогичные «линейки» для измерениядлин наноотрезков с ошибкой от 0,5 до 3 нм. Поддалась измерению и масса наночастиц: с развитием масс-спектроскопии оказалось возможным зарегистрировать массы отдельных нанокластеров и макромолекул.В России создан определенный научно-технический задел в областиметрологического обеспечения нанотехнологий: разрабатываются и поставляются на внутренний и внешний рынки ряд измерительных атомносиловых микроскопов, устройств наноперемещений, планируются к выпуску так называемые нанофабрики (NanoFab), в которых для повышениядостоверности регистрации параметров нанообъекта его исследованиеосуществляется непосредственно сразу после изготовления, причем транспорт объекта из технологической камеры в измерительную осуществляетсяс помощью специального робота в сверхвысоком вакууме.

Это позволяет,например, в течение нескольких часов исследовать свойства поверхности,свободной от газового монослоя. Для калибровки измерительных атомносиловых (АСМ) и растровых электронных микроскопов (РЭМ), являющихся одними из основных инструментов в нанотехнологиях, разработаныэталоны сравнения – линейные меры, позволяющие существенно повыситьточность и достоверность измерения наноперемещений и геометрическихпараметров наноразмерных объектов.

Разработаны соответствующие методики калибровки и поверки АСМ и РЭМ. Разрабатываются эталонныеспектрорадиометрические комплексы для контроля параметров процессовнанофотолитографии с использованием синхротронного излучения на накопительном кольце «Сибирь».Вместе с тем следует отметить пока еще существенное отставаниеразвития методической составляющей инфраструктуры отечественной наноиндустрии как в области системы обеспечения единства измерений в нанометровом диапазоне, так и в темпах развития стандартизации, разработки нормативно-методического обеспечения, безопасности применения и28использования нанотехнологий и объектов наноиндустрии, а также создания систем их добровольной или обязательной сертификации.В связи с этим была разработана «Концепция обеспечения единстваизмерений, стандартизации, оценки соответствия и безопасности использования нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии вРоссийской Федерации до 2015 года» (далее Концепция).1.4.

Концепция развития нанометрологииПредлагаемая Ростехрегулированием Концепция предусматриваеткомплексный подход к решению проблемы метрологического обеспечениясоздаваемой нанотехнологической сети предприятий наноиндустрии. Дляэтого необходимо решить ряд взаимосвязанных научно-технических,структурно-организационных и методических задач по следующим основным направлениям:• развитие национальной системы обеспечения единства измерений доуровня ведущих стран мира и соответствующему эффективному функционированию инфраструктуры наноиндустрии;• развитие системы стандартизации, гармонизированной с требованиями международных стандартов и обеспечивающей все необходимыетребования к нанотехнологиям, наноматериалам и продукции наноиндустрии;• создание нормативно-методического и метрологического комплексаобеспечения безопасности и системы подтверждения соответствия нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии;• создание сети центров метрологического обеспечения и оценки соответствия продукции технологии наноиндустрии, представляющей собойраспределенную систему метрологических центров коллективного пользования, образованных на базе метрологических центров коллективногопользования, созданных на базе метрологических НИИ и организаций Ростехрегулирования, а также головной научной организации и головных организаций отраслей по основным направлениям наноиндустрии;• создание соответствующей системы подготовки кадров.Стратегическая цель Концепции предполагает формирование и развитие методической составляющей инфраструктуры наноиндустрии, обеспечивающей эффективный механизм стандартизации, единства, достовер29ности и прослеживаемости измерений, а также оценки соответствия ибезопасности конкурентоспособных нанотехнологий и продукции наноиндустрии, необходимых для создания высокотехнологичного российскогосектора экономики, способного паритетно конкурировать с ведущимистранами мира на внутреннем и внешнем рынках.Основные научно-технические, структурно-организационные, методические, образовательные и информационные задачи достижения стратегической цели – это:• модернизация Российской системы измерений до уровня ведущихстран мира, необходимого для эффективного функционирования инфраструктуры наноиндустрии;• модернизация Российской системы стандартизации, гармонизированной с требованиями международных стандартов и обеспечивающейполный охват необходимых требований к нанотехнологиям, наноматериалам и продукции наноиндустрии;• создание нормативно-методического и метрологического комплексаобеспечения безопасности и системы подтверждения соответствия нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии;• создание распределенной сети центров метрологического обеспечения продукции и технологий наноиндустрии, работающих в режиме центров коллективного пользования, образованных на базе метрологическихНИИ и ЦСМ Ростехрегулрования, расположенных в Москве, СанктПетербурге, Екатеринбурге, Новосибирске, Хабаровске, а в случае необходимости и в других местах функционирования крупных объектов наноиндустрии, и оказывающих услуги по метрологическому, нормативнометодическому и сертификационному обеспечению нанотехнологий и нанопродукции;• создание системы аккредитации по основным направлениям наноиндустрии (наноэлектроника, наноинженерия, функциональные наноматериалы, нанобиотехнологии и др.) специализированных измерительных ииспытательных лабораторий и обеспечение ее функционирования;• создание систем добровольной и обязательной сертификации нанопродукции и нанотехнологий и обеспечение их функционирования;• создание системы информационного обеспечения нанотехнологий,наноматериалов и продукции наноиндустрии в области метрологии, стандартизации, безопасности и оценки соответствия;30• создание системы подготовки кадров и повышения их квалификациив области метрологического обеспечения и стандартизации нанотехнологий.Развитие национальной системы обеспечения единства измерений всоответствии с Концепцией приведено на рис.

1.4.На рис. 1.4 символы 1-D, 2-D и 3-D означают размерность наноматериала (размерность наноструктур):D-1 – одномерные (нити, проволоки толщиной менее 100 нм);D-2 – двумерные (тонкие пленки, покрытия и т.п.), где электроны непретерпевают тепловых соударений;D-3 – трехмерные (имеющие длину, ширину, высоту).Существует еще D-0 – нульмерные – (квантовые точки) и фрактальные размерности 1<D<2 (или 3>D>2). Это поверхности твердых тел с нецельной размерностью наноматериала.Размерность нанообъекта – число степеней свободы электронногогаза в нанообъемах.

Это координатная размерность – линия, плоскость,объем.Концепция определяет и задачи совершенствования системы обеспечения единства измерений:• разработать достаточное количество методов и средств измеренийпараметров нанообъектов, точность и номенклатура которых достаточнадля обеспечения развития нанотехнологий и выпуска конкурентоспособной нанопродукции;• осуществить модернизацию существующих эталонов путем значительного повышения точности характеристик воспроизведения и передачиединиц величин, используемых в области нанотехнологий;• создать новые эталоны и прецизионные измерительно-технологические комплексы, необходимые для обеспечения единства измерений в области нанотехнологий;• разработать методы создания и аттестации стандартных образцоввеществ и наноматериалов, а также эталонных мер и тест-объектов для калибровки средств измерений;• разработать механизмы аттестации методов выполнения измерений,поверки, калибровки и испытаний в области нанотехнологий;• разработать комплекс нормативно-технических документов по обеспечению единства измерений и осуществить их гармонизацию с международными требованиями;3132СоставСвойства• признанть измерительныe и калибровочные возможности;• обеспечить участие в международных сличениях эталонов Россиидля нанотехнологий и наноиндустрии, а также обеспечить международноепризнание измерительных и калибровочных возможностей;• обеспечить аккредитацию метрологических служб организаций ипредприятий наноиндустрии на компетентность выполнения метрологических работ в области нанотехнологий;• оснастить измерительные и аналитические лаборатории, функционирующие в области нанотехнологий современным высокоточным измерительным оборудованием, в том числе на основе спектроскопии с электронными и ионными источниками, радио- и рентгеновской спектроскопии,гибридных методов атомной эмиссии, жидкостной и газовой хроматографии в сочетании с методами масс-спектрометрии, ИК и УФспектрометрии;• создать механизм метрологического обеспечения процессов оценкисоответствия и обеспечения безопасности использования нанотехнологийи продукции наноиндустрии.Для реализации Концепции, естественно, используются и ранее созданные структуры.