Нанометрология — это подраздел метрологии , занимающийся наукой об измерениях на наноуровне . Нанометрология играет решающую роль в производстве наноматериалов и устройств с высокой степенью точности и надежности в нанопроизводстве .
Задача в этой области заключается в разработке или создании новых методов измерения и стандартов для удовлетворения потребностей следующего поколения передового производства, которое будет опираться на материалы и технологии нанометрового масштаба. Потребности в измерении и характеристике новых структур образцов и характеристик намного превышают возможности современной измерительной науки. Ожидаемые достижения в развивающихся нанотехнологических отраслях США потребуют революционной метрологии с более высоким разрешением и точностью, чем предполагалось ранее. [1]
Контроль критических размеров является важнейшим фактором в нанотехнологии. Нанометрология сегодня во многом основана на развитии полупроводниковой технологии. Нанометрология — это наука об измерениях на наноуровне. Нанометр или нм эквивалентен 10^-9 м. В нанотехнологии важен точный контроль размеров объектов. Типичные размеры наносистем варьируются от 10 нм до нескольких сотен нм, и при изготовлении таких систем требуется измерение до 0,1 нм.
В наномасштабе из-за малых размеров можно наблюдать различные новые физические явления. Например, когда размер кристалла меньше длины свободного пробега электронов, проводимость кристалла изменяется. Другим примером является дискретизация напряжений в системе. Становится важным измерять физические параметры, чтобы применять эти явления в проектировании наносистем и их производстве. Измерение длины или размера, силы, массы, электрических и других свойств включено в нанометрологию. Проблема заключается в том, как измерить их с надежностью и точностью. Методы измерения, используемые для макросистем, не могут напрямую использоваться для измерения параметров в наносистемах. Были разработаны различные методы, основанные на физических явлениях, которые можно использовать для измерения или определения параметров наноструктур и наноматериалов. Некоторые из популярных из них - рентгеновская дифракция , просвечивающая электронная микроскопия , просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, атомно-силовая микроскопия , сканирующая электронная микроскопия , сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией и метод Брунауэра, Эммета, Теллера для определения удельной поверхности.
Нанотехнология является важной областью из-за большого количества приложений, которые она имеет, и возникла необходимость в разработке более точных методов измерения и общепринятых стандартов. Поэтому необходим прогресс в области нанометрологии.
Нанотехнологии можно разделить на две ветви. Первая — молекулярная нанотехнология , которая включает в себя производство снизу вверх, а вторая — инженерная нанотехнология, которая включает в себя разработку и обработку материалов и систем в наномасштабе. Инструменты и методы измерения и производства, необходимые для двух ветвей, немного различаются.
Кроме того, требования к нанометрологии различаются для промышленности и научно-исследовательских институтов. Нанометрология исследований прогрессировала быстрее, чем для промышленности, в основном потому, что внедрение нанометрологии для промышленности затруднено. В ориентированной на исследования нанометрологии разрешение важно, тогда как в промышленной нанометрологии точность имеет приоритет над разрешением . Кроме того, по экономическим причинам важно иметь низкие временные затраты в промышленной нанометрологии, тогда как для исследовательской нанометрологии это не важно. Различные методы измерений, доступные сегодня, требуют контролируемой среды, такой как вакуум , вибрационная и бесшумная среда. Кроме того, в промышленной нанометрологии требуется, чтобы измерения были более количественными с минимальным количеством параметров.
Метрологические стандарты — это объекты или идеи, которые по какой-то общепринятой причине считаются авторитетными. Любое значение, которым они обладают, полезно для сравнения с неизвестными с целью установления или подтверждения присвоенного значения на основе стандарта. Выполнение сравнений измерений с целью установления связи между стандартом и каким-либо другим измерительным устройством — это калибровка. Идеальный стандарт независимо воспроизводим без неопределенности. Прогнозируется, что мировой рынок продуктов с применением нанотехнологий в ближайшем будущем составит не менее пары сотен миллиардов долларов. [ требуется ссылка ] До недавнего времени практически не существовало установленных международных стандартов для областей, связанных с нанотехнологиями. Технический комитет по нанотехнологиям Международной организации по стандартизации TC-229 недавно опубликовал несколько стандартов по терминологии, характеристике наноматериалов и наночастиц с использованием таких измерительных инструментов, как АСМ , СЭМ , интерферометры , оптоакустические инструменты, методы адсорбции газа и т. д. Некоторые стандарты для стандартизации измерений электрических свойств были опубликованы Международной электротехнической комиссией . Некоторые важные стандарты, которые еще предстоит установить, включают стандарты для измерения толщины тонких пленок или слоев, характеристики поверхностных свойств, стандарты для измерения силы в наномасштабе, стандарты для характеристики критических размеров наночастиц и наноструктур, а также стандарты для измерения физических свойств, таких как проводимость, эластичность и т. д.
Из-за важности нанотехнологий в будущем страны по всему миру имеют программы по установлению национальных стандартов для нанометрологии и нанотехнологий. Эти программы реализуются национальными агентствами по стандартизации соответствующих стран. В Соединенных Штатах Национальный институт стандартов и технологий работает над разработкой новых методов измерения в наномасштабе и также установил некоторые национальные стандарты для нанотехнологий. Эти стандарты предназначены для характеристики наночастиц, характеристики шероховатости , стандарта увеличения , калибровочных стандартов и т. д.
Трудно предоставить образцы, с помощью которых можно откалибровать точные приборы в наномасштабе. Справочные или калибровочные стандарты важны для обеспечения повторяемости. Но международных стандартов калибровки не существует, а калибровочные артефакты, предоставляемые компанией вместе с ее оборудованием, хороши только для калибровки этого конкретного оборудования. Следовательно, трудно выбрать универсальный калибровочный артефакт, с помощью которого можно добиться повторяемости в наномасштабе. В наномасштабе при калибровке необходимо соблюдать осторожность с учетом влияния внешних факторов, таких как вибрация , шум , движения, вызванные тепловым дрейфом и ползучестью , нелинейное поведение и гистерезис пьезосканера [2], и внутренних факторов, таких как взаимодействие между артефактом и оборудованием, которые могут вызывать значительные отклонения.
За последние 70 лет были разработаны различные методы измерения в наномасштабе. Большинство из них основаны на некоторых физических явлениях, наблюдаемых при взаимодействии частиц или силах в наномасштабе. Некоторые из наиболее часто используемых методов — это атомно-силовая микроскопия, рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является одним из наиболее распространенных методов измерения. Она может использоваться для измерения топологии, размера зерна, характеристик трения и различных сил. Она состоит из кремниевого кантилевера с острым наконечником с радиусом кривизны в несколько нанометров. Наконечник используется в качестве зонда на образце, который необходимо измерить. Силы, действующие на атомном уровне между наконечником и поверхностью образца, заставляют наконечник отклоняться, и это отклонение обнаруживается с помощью лазерного пятна, которое отражается на массив фотодиодов.
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) — еще один часто используемый инструмент. Она используется для измерения трехмерной топологии образца. СТМ основана на концепции квантового туннелирования . Когда проводящий наконечник подносится очень близко к исследуемой поверхности, смещение (разница напряжений), приложенное между ними, может позволить электронам туннелировать через вакуум между ними. Измерения производятся путем мониторинга тока, когда положение наконечника сканирует поверхность, что затем может использоваться для отображения изображения.
Другим часто используемым инструментом является сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), которая помимо измерения формы и размера частиц и топографии поверхности может использоваться для определения состава элементов и соединений, из которых состоит образец. В СЭМ поверхность образца сканируется электронным пучком высокой энергии. Электроны в пучке взаимодействуют с атомами в образце, и взаимодействия обнаруживаются с помощью детекторов. Производимые взаимодействия представляют собой обратное рассеяние электронов, передачу электронов, вторичные электроны и т. д. Для удаления электронов под большим углом используются магнитные линзы.
Упомянутые выше приборы создают реалистичные изображения поверхности и являются прекрасными измерительными инструментами для исследований. Промышленные приложения нанотехнологий требуют, чтобы производимые измерения были более количественными. Требование промышленной нанометрологии заключается в более высокой точности, чем разрешении, по сравнению с исследовательской нанометрологией.
Координатно -измерительная машина (КИМ), работающая в наномасштабе, будет иметь меньшую раму, чем КИМ, используемая для макромасштабных объектов. Это так, потому что она может обеспечить необходимую жесткость и устойчивость для достижения наномасштабных неопределенностей в направлениях x, y и z. Зонды для такой машины должны быть небольшими, чтобы обеспечить трехмерное измерение нанометровых характеристик с боков и изнутри, таких как наноотверстия. Также для точности необходимо использовать лазерные интерферометры. NIST разработал прибор для измерения поверхности, называемый молекулярной измерительной машиной. Этот прибор по сути является СТМ. Оси x и y считываются лазерными интерферометрами. Молекулы на поверхности можно идентифицировать по отдельности, и в то же время можно определить расстояние между любыми двумя молекулами. Для измерения с молекулярным разрешением время измерения становится очень большим даже для очень маленькой площади поверхности. Машина Ильменау — еще одна наноизмерительная машина, разработанная исследователями из Технологического университета Ильменау.
Компоненты нано-КИМ включают нанозонды, управляющее оборудование, платформу 3D-нанопозиционирования, а также приборы с высоким разрешением и точностью для линейных и угловых измерений.
В метрологии на макроуровне достижение прослеживаемости довольно просто, и используются такие артефакты, как шкалы, лазерные интерферометры, ступенчатые датчики и линейки. На наноуровне кристаллический высокоориентированный пиролитический графит ( ВОПГ ), слюдяная или кремниевая поверхность считаются подходящими для использования в качестве калибровочного артефакта для достижения прослеживаемости. [4] [5] Но не всегда возможно обеспечить прослеживаемость. Например, что такое линейка на наноуровне, и даже если взять тот же стандарт, что и для макромасштаба, нет способа точно откалибровать ее на наноуровне. Это происходит потому, что не всегда существуют необходимые международные или национальные эталонные стандарты. Кроме того, измерительное оборудование, необходимое для обеспечения прослеживаемости, не было разработано. Обычно для прослеживаемости используются миниатюризации традиционных метрологических стандартов, поэтому необходимо установить наностандарты. Также необходимо установить некую модель оценки неопределенности. Прослеживаемость является одним из основных требований к производству и сборке продукции, когда есть несколько производителей.
Допуск — это допустимый предел или пределы изменения размеров, свойств или условий без существенного влияния на функционирование оборудования или процесса. Допуски указываются для того, чтобы обеспечить разумный запас для несовершенств и присущей изменчивости без ущерба для производительности. В нанотехнологиях системы имеют размеры в диапазоне нанометров. Определение допусков в наномасштабе с подходящими стандартами калибровки для прослеживаемости затруднительно для различных методов нанопроизводства . Существуют различные методы интеграции, разработанные в полупроводниковой промышленности, которые используются в нанопроизводстве .
Существует множество наноструктур, таких как нанокомпозиты, нанопроволоки, нанопорошки, нанотрубки, фуллерены, нановолокна, наноклетки, нанокристаллиты, наноиглы , нанопены, наносети, наночастицы, наностолбики, тонкие пленки, наностержни, наноткани, квантовые точки и т. д. Наиболее распространенный способ классификации наноструктур — по их размерам.
Наноструктуры можно классифицировать на основе структуры и размера зерен, из которых они состоят. Это применимо в случае 2-мерных и 3-мерных наноструктур.
Для нанопорошка для определения удельной поверхности обычно используют метод БЭТ . Измеряется падение давления азота в закрытом контейнере за счет адсорбции молекул азота на поверхности материала, помещенного в контейнер. При этом форма частиц нанопорошка предполагается сферической.
Где «D» — эффективный диаметр, «ρ» — плотность , а «A» — площадь поверхности, найденная методом БЭТ.
В данной статье использован текст из этого источника, находящегося в общественном достоянии .