Нанометрология (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 9
Описание файла
Файл "Нанометрология" внутри архива находится в следующих папках: Раздаточные материалы от преподавателя, 3 Материалы. PDF-файл из архива "Раздаточные материалы от преподавателя", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "метрология, стандартизация и сертификация (мсис)" из 11 семестр (3 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "остальное", в предмете "метрологическое обеспечение инновационных технологий" в общих файлах.
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст 9 страницы из PDF
Голография в переводе означает «полная запись» (от греческого слова holos – весь, полный). Голографический метод позволяет записать на фотоэмульсии своеобразную картину волнового поля, которуюназывают голограммой. Такая запись стала практически возможной с использованием лазера и заключается в следующем.Когерентный пучок света от лазера 1 (рис. 2.4,а) проходит системулинз, расширяющих его доразмера, необходимого дляперекрытия снимаемого объекта. Чтобы получить голограмму, лазерный пучок необходимо разделить на две частии использовать одну часть для Рис.
2.4. Схема голографической измерительной системы:освещения предмета, а другуюа – записи; б – восстановлениядля формирования опорнойволны. Для этого пучок проходит через полупрозрачную пластину 2. После прохождения через пластину 2 часть света, отражаясь от зеркала 3, падает в качестве опорного луча на эмульсионное покрытие фотопластинки5. Другая часть света, отражаясь от зеркала 6, падает на объемный предмет4.
В слое эмульсии фиксируется результат интерференции двух пучков –опорного и сигнального.После соответствующей фотохимической обработки на пластинкепоявляется сеть темных и светлых участков, которая пока еще не даетпредставления об отснятом объекте. Объемное изображение появляетсятолько при освещении такой пластинки (голограммы) под определеннымуглом. На рис. 2.4,б показана стадия восстановления объемной голограммы. Пучок света, излучаемый лазером 1, отражается от зеркала 2 и освещает голограмму 4.
Рассматривая голограмму 4, можно видеть объемное изо43бражение 3. Глаз воспринимает предмет точно таким, каков он есть в действительности.Голографическая интерферометрия значительно расширяет областьинтерферометрических измерений и является одним из очень перспективных направлений развития техники линейных измерений.При проведении наноизмерений так же как и в традиционных механических, электромагнитных, оптических и оптико-электрических измерениях используется широкая гамма различных преобразователей: оптических (ОП), оптических измерительных (ОИП) и оптико-электрических(ОЭИП).Преобразователи группы ОП включают всевозможные плоскопараллельные пластинки линзы, отражательные призмы, зеркала, диафрагмы,дефлекторы, модуляторы.
Они предназначены для изменения направлениялучистого потока, ограничения поперечных размеров пучка излучения,формирования самого пучка. ОП не носят измерительных функций.Преобразователи же групп ОИП и ОЭИП, как правило, определяют ипринцип измерения. Поэтому они имеют многие метрологические параметры: чувствительность, характеристики преобразования, постояннуювремени, спектральные характеристики, тепловые характеристики и др.Система обеспечения единства измерений предусматривает для них соответствующие эталонные измерительные преобразователи энергетических исветовых величин.
Такие эталоны сосредоточены в основном в ВНИИФТРИ и ВНИИОФИ.В наноиндустрии встречаются много объектов, для которых определяемые оптические характеристики относятся лишь к промежуточным информативным параметрам, функционально связанным с другим параметром интересующего пользователя исследуемого вещества или материала.Например, это определение толщины покрытия, уровня, концентрации,структуры и химического состава вещества. На спектральном отраженииизлучения базируется калориметрия (цветовые измерения), голографическая интерферометрия, спектрофотометрия, поляриметрия, хроматографияи многое другое.
Естественно, в одном пособии все это разнообразие методов и средств отразить невозможно. Поэтому ниже сосредоточимся в основном на линейных наноизмерениях как на базе нанометрологии. В редких случаях для подкрепления тех или иных положений будем использовать примеры из других областей.Исследование физических явлений в нанодиапазоне приводит к появлению новых эффектов, иногда противоречащих законам «классической44физики». Так в 1948 году голландский физик Генрих Казимир предсказал,что на расстояниях порядка нанометра между телами (плоскостями) должна наблюдаться сила притяжения. По этой теории отдельные детали изделий в нанометровом диапазоне будут «сминаться». Однако, спустя восемьлет после открытия данного явления Евгений Лифшиц выяснил, что эффект Казимира на самом деле является всего лишь проявлением ван-дерваальсовых, или межмолекулярных, сил, и, более того, если зазор междуповерхностями заполнить специально подобранным веществом, то притяжение между поверхностями может смениться отталкиванием.
Такоеобобщение эффекта Казимира получило название «эффект КазимираЛифшица».Во времена предсказания «эффект Казимира» не мог быть экспериментально проверен из-за отсутствия соответствующей аппаратуры. В 90-еже годы ХХ столетия этот эффект неоднократно подтверждался экспериментально и наметились пути практического использования эффекта. Внанотехнологиях это, например, разработка микроэлектромеханическихсистем (МЭМС). Это так называемые «умные» приборы микрометровогоразмера, вырезанные на кремниевой подложке, и используемые для самосборки нанороботов.2.2. Использование принципов микроскопиив наноизмерениях2.2.1. Оптическая микроскопияДля детального исследования микро- и наноструктур различной природы существует много разнообразных методов. Микроскопия как средство получения увеличенного изображения зародилась еще в XV веке, когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых.
В конце XVII века Антонио Ван Левенгук изготовил оптический микроскоп, который позволял установить существование отдельных клеток, болезнетворных микробов и бактерий. Уже в ХХ веке былиразработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков. Таким образом, микроскопия – это совокупность методов наблюденияизображений мелких структур или деталей, невидимых невооруженнымглазом, путем увеличения изображения объекта с помощью того или иного45инструмента.
В зависимости от вида этого инструмента различают методы:оптической, электронной, сканирующей зондовой и ионной микроскопии.Оптическая и электронная микроскопия основаны на явлении дифракции, отражении или преломлении излучения, падающего на изучаемый объект, и последующий сбор рассеянного излучения с целью получения изображения.Сканирующая зондовая микроскопия базируется на взаимодействии сканирующего зонда с поверхностью, а ионная – предполагает увеличение изображения за счет излучения ионных пучков.Все эти виды используются в нанотехнологиях и составляют техническую (измерительную) основу нанометрологии.Оптический микроскоп – первый инструмент, позволивший человекувидеть объекты малых размеров (микроскоп был сконструирован Галилеемв 1610 г.). Диапазон размеров объектов, наблюдаемых в современный оптический микроскоп, использующий свойства линз и зеркал, не можетбыть менее 100 нм, что ограничивает физика света.
Поэтому современныеоптические микроскопы позволяют увеличение объекта не более чем в2000 раз.Обладая малой глубиной фокуса, обычный оптический микроскопсоздает «оптический срез» изображения объекта, на котором четко изображаются лишь детали объекта, попавшие в фокус. Расфокусированныеже части объекта изображаются размытыми.Изначально микроскопы давали лишь двухмерное изображение наблюдаемого объекта. Для наблюдения трехмерных объектов был созданстереомикроскоп, который использует различные оптические пути для левого и правого окуляра. Однако такой микроскоп не решает вопрос об измерении высоты и других параметров рельефа поверхности наблюдаемогообъекта, а лишь обеспечивает объемное восприятие объекта человеком.В последние десятилетия в связи с развитием вычислительной техники появились и быстро развиваются методы измерения трехмерногорельефа поверхности с помощью оптических микроскопов. Такие методыразделяются на пассивные и активные.
Активные методы используют конструктивные усовершенствования микроскопа, дополнительное освещениечерез фильтр или лазер. Пассивные же концентрируются на методах анализа изображений. Самыми эффективными являются сочетания пассивных46и активных методов, к которым можно отнести метод определения высотырельефа поверхности по фокусу, разработанный в МГУ А.А. Захарченко.Техника стереоанализа изображений базируется на использованиистереомикроскопа, в котором с помощью двух или более видеокамер получают изображения одного и того же объекта, снятого с различных угловзрения. Далее, с помощью математического аппарата стерео триангуляциивычисляется рельеф поверхности.Методы стерео триангуляции основаны на поиске и идентификацииодинаковых точек микрорельефа на различных изображениях. Естественно, метод триангуляции применим, если объект имеет достаточно четкуютекстуру, т.е.
отличительные особенности тех или иных точек. К тому жезачастую возникают ситуации, когда область объекта видна лишь на однойиз камер, что делает невозможным определение высоты поверхности вэтой зоне.Методы определения высоты по фокусу базируются на принципе,что объект изображается наиболее «четко», когда он находится в фокусе.Методы определения высоты по фокусу определяют высоту рельефа поверхности по нескольким изображениям, полученным при различных положениях фокуса микроскопа.