Нанометрология (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 52

Скорее, они являются средствами визуализацииповерхностей. Соответственно, возникает задача создания на их базе приборов нового уровня, сочетающих в себе достоинства сканирующих микроскопов и возможность проводить с их помощью точные измерения. Дляэтого, очевидно, сканирующий микроскоп должен быть оборудован тремяшкалами по трем координатным осям. Практически, как правило, для этогоприменяются три интерферометра как измерители перемещений головкизонда. Возможны также другие варианты с использованием емкостных или276индукционных датчиков вместо интерферометров. К настоящему времениуже существуют такие работающие установки.Сегодня недостаточно качественной визуальной информации о технологических процессах и научных исследованиях в нанометровом диапазоне.

Необходима их количественная оценка, позволяющая обеспечить получение с требуемой точностью измерительной информации о заданныхэксплуатационных показателях или результатах измерения и контроля параметров нанообъектов. Суперпрецизионные измерения – это неотъемлемая процедура современной нанотехнологии и наноиндустрии. Произвестикачественную продукцию нанотехнологии можно с такой точностью, с какой ее можно измерить. Поэтому любая нанотехнология или элемент наноиндустрии требуют всеохватывающей метрологической поддержки дляобеспечения с заданной точностью и достоверностью информации о производстве объектов нанотехнологий и об их эксплуатационных показателях, результатах измерения, контроля и исследования.Манипуляции с отдельными атомами означают, что можно сконструировать искусственные структуры нанометровых размеров, используя отдельные атомы как кирпичики.

Первое приложение, по-видимому, будеткасаться хранения информации, ведь компьютерная память основана натом, что бит (единица информации) задается определенным состояниемэлемента среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Упрощенно говоря, элемент памяти показывает,включено что-то или выключено, присутствует что-либо или отсутствует ит.д. Исходя из этого, можно реализовать такую ситуацию на поверхности,когда 1 бит будет записан в виде скопления, например, 1000 атомов.

Еслитакая память будет создана, все содержание библиотеки Конгресса США (аэто громадное книгохранилище) уместится на одном диске диаметром25 см. Для сравнения скажем, что лазерных компакт-дисков для этого потребовалось бы 250000 шт.Номенклатура показателей, используемых в МО нанотехнологии инаноиндустрии, включает понятия точности, воспроизводимости и разрешающей способности. Вместе с тем, основным показателем точности измерений является основная погрешность, т.е. погрешность средства измерений нанометрового диапазона, определяемая в нормальных условиях егоприменения. Наряду с этим, в настоящее время внедряется, в том числе и вобласть нанометрологии, понятие неопределенности измерений.

Это необходимо для согласования (гармонизации) отечественных исследований с277зарубежными данными, где понятие неопределенности используется с 70 –80 гг. прошлого века.Укрупненно первоочередными в области нанометрологии можносчитать следующие работы:1. Анализ погрешностей, прецизионности и неопределенности результатов наноизмерений.2.

Обоснование использования в наноизмерениях неопределенностейпо типу А и типу В.3. Выбор методов вычисления суммарной стандартной неопределенности наноизмерений.4. Разработка эффективных оценок неопределенности наноизмерений.5. Обоснование (расчет) коэффициентов охвата при вычислениирасширенной неопределенности наноизмерений.6. Разработка точностных моделей межлабораторных сличений различных нанотехнологий.7.

Технико-экономические принципы выбора средств измерения иконтроля нанопроцессов.8. МО диагностических операций в сфере нанотехнологий.9. Точность и достоверность наноизмерений.10. Менеджмент качества наноизмерений.11. Аудит и сертификация качества наноразработок (нанотехнологий).12. Разработка стандартов и количественных нормативов, регулирующих хранение, производство, использование и утилизацию наноматериалов (предельно допустимых концентраций, уровень загрязнения наночастицами, воспламеняемость).Исследование аппаратурного обеспечения наноизмерений ведущихметрологических центров мира позволяет сформулировать ряд принципов,которые должны быть положены в основу создания измерительнотехнологического комплекса для обеспечения единства измерений параметров наноструктурированных объектов и материалов:1.

Повышение точности измерений эталонных установок за счетснижения воздействий внешних шумовых полей на прибор путем экранирования внешних полей и стабилизации параметров окружающей среды.2. Повышение точности измерений параметров нанообъектов за счетснижения воздействия окружающей среды на нанообъект путем транспор278та его в вакууме и снижения времени между созданием нанообъекта и регистрацией его параметров.3.

Получение информации о свойствах наноструктурированных материалов путем одновременного проведения комбинированных измерений,основанных на различных физических принципах, а также оказания различных видов воздействий в процессе проведения измерений.4. Для исследования новых свойств наноструктурированных материалов, а также моделирования и создания различных стандартных образцов свойств, состава и структуры в комплекс должны входить установки,позволяющие проводить оперативное изготовление таких образцов.Исследование рынка современных приборов и оборудования показало, что в области нанотехнологий имеется весьма незначительное количество коммерчески доступных образцов уникальных многофункциональныхустановок.

Одной из немногих коммерчески доступных установок, позволяющих проводить создание и манипуляции с наноструктурами, а такжеизмерение их параметров методами СЭМ и различными видами структурного анализа, является установка фирмы «Карл Цейс» (Германия) GrossBeam 1540.Можно констатировать, что:1. Метрологическое обеспечение нанотехнологий должно носитьопережающий характер.2.

Метрологическое обеспечение нанотехнологий и нанопродукции –крайне дорогостоящее мероприятие.3. Среди высококачественного измерительного оборудования длянанотехнологий мало оборудования, разработанного и изготовленного вРоссии.4. Переход к нанометрологии потребует значительного увеличенияточности применяемых средств измерений (например, точность измерениядлины должна возрастать в 10 – 50 раз).5. Значительно усложняются условия, в которых необходимо будетпроводить измерения. Большая часть измерений будет выполняться в условиях высокого вакуума и, как правило, совмещаться с самим технологическим процессом.6. Потребуется создание новых государственных первичных и рабочих эталонов.Кроме того, в России должна быть разработана система сертификации менеджмента качества и экологического менеджмента предприятий,279работающих в сфере наноиндустрии, с учетом специфики создания наноматериалов и нанотехнологий.В целях обеспечения согласованных действий создан Координационный совет, возглавляемый министром образования и науки РоссийскойФедерации.

Для подготовки предложений по выполнению указанных мероприятий предусмотрена объединенная рабочая группа, состоящая изпредставителей Ростехрегулирования и Роснауки.Окончательное формирование Российской системы стандартизации,обеспечения единства измерений, обеспечения безопасности и оценки соответствия конкурентоспособных нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии реально завершить в период до 2013 года с учетомреализации «Программы развития наноиндустрии в Российской Федерациидо 2015 года».В этот период должны отчетливо определиться приоритетные направления развития российской наноиндустрии, сформироваться производственно-территориальные кластеры, обеспечивающие создание, производство и продвижение на рынок высоких технологий конкурентоспособной продукции наноиндустрии.

Это, в свою очередь, позволит создать необходимый эталонный комплекс, соответствующее контрольноизмерительное оборудование и сформировать необходимую нормативноправовую и нормативно-техническую базу, отработать и обеспечить функционирование соответствующих механизмов оценки и подтверждения соответствия продукции наноиндустрии, обеспечить гармонизацию отечественных нормативных документов с международными требованиями.28028132№пп11Растроваятуннельнаямикроскопиясканирующая(СТМ)По глубине 1 –5 нм. Поперечнаяразрешающаяспособность 2 –10 нмДиапазонизмерения23Атомно-сило- По глубине 0,5 –ваямикро- 5 нм. Поперечнаяскопия (АСМ) (боковая) разрешающая способность 0,2 – 130 нмРастровая силовая микроскопия (РСМ)Название5Микроскопы могут работать вконтактном, бесконтактном и точечном режимах.

В контактномрежиме используется четырёхсегментный приемник излучения.В бесконтактном режиме наконечник зонда покрывается химикалиями. В магнитно-силовоммикроскопе во взаимодействиинаконечника и образца преобладают магнитные и электростатические силы. Для определениясилы магнитного взаимодействияприменяются магнитные наконечники зондов с покрытиемSi3N4. В электросиловом микроскопе применяются металлические наконечники, а в магнитооптическом−волоконнооптическиеМикроскоп может работать вдвух режимах: постоянного токаи постоянной высоты (расстояние между щупом и поверхностью)4Топология, шероховатость ипластичность поверхности,размер зерна (гранулы), параметры трения, специфические молекулярные взаимодействия и магнитные свойства поверхности, суммарнаяплотность валентных электронных состояний на ферми-уровне на поверхности3D-топология поверхности:размер, форма, шероховатость, дефекты, электронныеструктурыилокальныеплотности состоянийПримечанияИзмеряемые свойстваМетоды измерений и измеряемые свойства нанообъектовПРИЛОЖЕНИЕ–Проблемы ипотребности6В процессе освоенияэтих микроскопов приизучении наносистеми по мере совершенствования и модернизации самих прибороввозможно определение других физических свойств материалов в «нанофазе» (например диэлектрических свойств кластеров с применениемрастровой емкостноймикроскопии)Таблица П12825143По глубине 1 нм –5 мкм.

Поперечная разрешающаяспособность 1 –20 нм4Топография:особенностиповерхности.Морфология: формы и размеры частиц.Состав (смесь): элементныйсостав образца.Кристаллографическая информация: группировка, расположение атомовПросвечиПо глубине 200 Морфология: размер и формавающая элек- нм. Поперечная частиц.тронная мик- разрешающаяКристаллографическая инроскопияспособность 2-20 формация: определение де(ПЭМ)нмфектов атомных размеров.Состав (смесь): элементныйсостав образца, структуракристаллической решетки иориентация образца.Направляемый на образецмонохроматический пучокэлектронов предварительнопропускается сквозь электронно-оптическую систему,предельносокращающуюугол расходимости пучка.Затем пучок фокусируется наобразце и, пройдя сквозь него, проецируется линзой ввиде изображения на люминесцентном экране.