Нанометрология
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( Июль 2017 г. ) |
Нанометрология — это раздел 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 и стандартов измерений для удовлетворения потребностей передового производства следующего поколения, которое будет опираться на материалы и технологии нанометрового масштаба. Потребности в измерении и описании новых структур и характеристик образцов 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]
Введение
[ редактировать ]Контроль критических размеров является наиболее важным фактором в нанотехнологиях. Сегодня нанометрология во многом базируется на развитии полупроводниковых технологий. Нанометрология – это наука об измерениях на наноуровне. Нанометр или нм эквивалентен 10^-9 м. В нанотехнологиях важен точный контроль размеров объектов. Типичные размеры наносистем варьируются от 10 нм до нескольких сотен нм, а при изготовлении таких систем требуются измерения до 0,1 нм.
На наноуровне из-за малых размеров можно наблюдать различные новые физические явления. Например, когда размер кристалла меньше длины свободного пробега электронов, проводимость кристалла изменяется. Другой пример — дискретизация напряжений в системе. Становится важным измерить физические параметры, чтобы применить эти явления в разработке наносистем и их производстве. Измерение длины или размера, силы, массы, электрических и других свойств включено в нанометрологию.Проблема в том, как измерить их надежность и точность. Методы измерения, используемые для макросистем, не могут быть напрямую использованы для измерения параметров наносистем. Были разработаны различные методы, основанные на физических явлениях, которые можно использовать для измерения или определения параметров наноструктур и наноматериалов. Некоторые из популярных из них: дифракция рентгеновских лучей , просвечивающая электронная микроскопия , просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, атомно-силовая микроскопия , сканирующая электронная микроскопия , автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия и метод Брунауэра, Эммета, Теллера для определения удельной поверхности.
Нанотехнологии являются важной областью из-за большого количества их применений, и возникла необходимость в разработке более точных методов измерения и общепринятых во всем мире стандартов. Следовательно, необходим прогресс в области нанометрологии.
Потребности развития
[ редактировать ]Нанотехнологии можно разделить на две отрасли. Первая — это молекулярная нанотехнология , которая предполагает производство снизу вверх, а вторая — это инженерная нанотехнология , которая включает разработку и обработку материалов и систем на наноуровне. Инструменты и методы измерения и производства, необходимые для этих двух отраслей, немного различаются.
Кроме того, требования нанометрологии различаются для промышленности и исследовательских учреждений. Нанометрология в исследованиях развивалась быстрее, чем в промышленности, главным образом потому, что внедрение нанометрологии в промышленность затруднено. В нанометрологии, ориентированной на исследования, разрешение имеет важное значение, тогда как в промышленной нанометрологии точность имеет приоритет над разрешением . Кроме того, по экономическим причинам в промышленной нанометрологии важно иметь низкие временные затраты, тогда как для исследовательской нанометрологии это не важно. Различные методы измерения, доступные сегодня, требуют контролируемой среды, например, вакуума , вибрации и шума. Кроме того, в промышленной нанометрологии требуется, чтобы измерения были более количественными с минимальным количеством параметров.
Стандарты
[ редактировать ]Международные стандарты
[ редактировать ]Метрологические стандарты — это объекты или идеи, которые по какой-то общепринятой причине признаны авторитетными. Каким бы значением они ни обладали, оно полезно для сравнения с неизвестными с целью установления или подтверждения присвоенного значения на основе стандарта. Проведение сличений измерений с целью установления связи между эталоном и каким-либо другим измерительным прибором является калибровкой. Идеальный стандарт независимо воспроизводим и не вызывает сомнений. По прогнозам, в ближайшем будущем мировой рынок продуктов с применением нанотехнологий составит не менее пары сотен миллиардов долларов. [ нужна ссылка ] До недавнего времени в области нанотехнологий практически не существовало установленных международно признанных стандартов. 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 газовой адсорбции и т. д. Определенные стандарты стандартизации измерений электрических Свойства были опубликованы Международной электротехнической комиссией .Некоторыми важными стандартами, которые еще предстоит установить, являются стандарты измерения толщины тонких пленок или слоев, характеристики характеристик поверхности, стандарты измерения силы в наномасштабе, стандарты определения критических размеров наночастиц и наноструктур, а также стандарты измерения физических свойств. такие как проводимость, эластичность и т. д.
Национальные стандарты
[ редактировать ]Из-за важности нанотехнологий в будущем, страны по всему миру имеют программы по установлению национальных стандартов 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, а также установил некоторые национальные стандарты для нанотехнологий. Эти стандарты предназначены для определения характеристик наночастиц, определения характеристик шероховатости , увеличения стандарта калибровки , стандартов и т. д.
Калибровка
[ редактировать ]Трудно предоставить образцы, с помощью которых можно было бы калибровать точные инструменты в наномасштабе. Эталонные или калибровочные стандарты важны для обеспечения повторяемости. Но международных стандартов калибровки не существует, а калибровочные материалы, предоставляемые компанией вместе со своим оборудованием, годятся только для калибровки этого конкретного оборудования. Следовательно, трудно выбрать универсальный калибровочный артефакт, с помощью которого мы можем добиться повторяемости на наноуровне. На наноуровне при калибровке необходимо учитывать влияние внешних факторов, таких как вибрация , шум , движения, вызванные тепловым дрейфом и ползучестью , нелинейное поведение и гистерезис пьезосканера . [2] и внутренние факторы, такие как взаимодействие между артефактом и оборудованием, которые могут вызвать значительные отклонения.
Методы измерения
[ редактировать ]За последние 70 лет были разработаны различные методы измерения на наноуровне. Большинство из них основано на некоторых физических явлениях, наблюдаемых при взаимодействии частиц или силах на наноуровне. Некоторыми из наиболее часто используемых методов являются атомно-силовая микроскопия, рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и полевая эмиссионная сканирующая электронная микроскопия.
Атомно-силовая микроскопия (АСМ) является одним из наиболее распространенных методов измерения. Его можно использовать для измерения топологии, размера зерна, характеристик трения и различных сил. Он состоит из кремниевого кантилевера с острым наконечником с радиусом кривизны в несколько нанометров. Наконечник используется в качестве зонда на измеряемом образце. Силы, действующие на атомном уровне между иглой и поверхностью образца, вызывают отклонение иглы, и это отклонение обнаруживается с помощью лазерного пятна, которое отражается на матрицу фотодиодов.
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) – еще один широко используемый инструмент. Он используется для измерения трехмерной топологии образца. СТМ основан на концепции квантового туннелирования . Когда проводящий наконечник подносится очень близко к исследуемой поверхности, смещение (разность напряжений), приложенное между ними, может позволить электронам туннелировать через вакуум между ними. Измерения проводятся путем мониторинга тока при сканировании положения наконечника по поверхности, что затем можно использовать для отображения изображения.
Другим широко 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 SEM поверхность образца сканируется пучком электронов высокой энергии. Электроны в пучке взаимодействуют с атомами в образце, и взаимодействия регистрируются с помощью детекторов. Возникающими взаимодействиями являются обратное рассеяние электронов, передача электронов, вторичных электронов и т. д. Для удаления электронов под большим углом используются магнитные линзы.
Упомянутые выше инструменты создают реалистичные изображения поверхности и являются отличными измерительными инструментами для исследований. Промышленное применение нанотехнологий требует, чтобы измерения были более количественными. В промышленной нанометрологии требуется более высокая точность, чем разрешение, по сравнению с исследовательской нанометрологией.
Нано координатно-измерительная машина
[ редактировать ]Координатно -измерительная машина (КИМ), работающая в наномасштабе, будет иметь меньший корпус, чем КИМ, используемая для объектов макромасштаба. Это так, потому что он может обеспечить необходимую жесткость и стабильность для достижения наномасштабной неопределенности в направлениях x, y и z. Датчики для такой машины должны быть небольшими, чтобы обеспечить возможность трехмерного измерения нанометровых деталей с боков и изнутри, таких как наноотверстия. Также для обеспечения точности необходимо использовать лазерные интерферометры. NIST разработал прибор для измерения поверхности, названный «Молекулярная измерительная машина». По сути, этот инструмент представляет собой СТМ. Оси x и y считываются лазерными интерферометрами. Молекулы на площади поверхности можно идентифицировать индивидуально и в то же время можно определить расстояние между любыми двумя молекулами. При измерениях 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 в себя нанозонды, аппаратное обеспечение управления, платформу 3D-нанопозиционирования и инструменты с высоким разрешением и точностью для линейных и угловых измерений.
Список некоторых методов измерения
[ редактировать ] |
Прослеживаемость
[ редактировать ]В метрологии на макроуровне добиться прослеживаемости довольно легко, и используются такие артефакты, как весы, лазерные интерферометры, ступенчатые меры и прямые кромки. В наномасштабе поверхность кристаллического высокоориентированного пиролитического графита ( HOPG ), слюды или кремния считается подходящей для использования в качестве калибровочного артефакта для обеспечения прослеживаемости. [4] [5] Но не всегда возможно обеспечить прослеживаемость. Например, что такое прямая грань на наноуровне, и даже если взять тот же стандарт, что и на макроуровне, невозможно точно откалибровать ее на наноуровне. Это происходит потому, что необходимые эталонные стандарты, принятые на международном или национальном уровне, не всегда существуют. Также не разработано измерительное оборудование, необходимое для обеспечения прослеживаемости. Обычно для прослеживаемости используются миниатюризация традиционных метрологических стандартов, поэтому существует необходимость создания наноразмерных стандартов. Также существует необходимость создания какой-то модели оценки неопределенности. Прослеживаемость является одним из фундаментальных требований к производству и сборке продукции, когда имеется несколько производителей.
Толерантность
[ редактировать ]
Допуск — это допустимый предел или пределы изменения размеров, свойств или условий, не оказывающие существенного влияния на функционирование оборудования или процесса. Допуски определяются таким образом, чтобы обеспечить разумную свободу действий в отношении дефектов и свойственной изменчивости без ущерба для производительности. В нанотехнологиях системы имеют размеры в диапазоне нанометров. Определение допусков на наноуровне с использованием подходящих калибровочных стандартов для отслеживания сложно для различных нанопроизводства методов . В полупроводниковой промышленности разработаны различные методы интеграции, которые используются в нанопроизводстве .
Методы интеграции
[ редактировать ]- При гетероинтеграции осуществляется прямое изготовление наносистем из сложных подложек. Геометрические допуски необходимы для обеспечения функциональности сборки.
- При гибридной интеграции нанокомпоненты размещаются или собираются на подложке, создавая функционирующие наносистемы. В этом методе наиболее важным параметром контроля является точность позиционирования компонентов на подложке.
- При монолитной интеграции все этапы производственного процесса объединены на одной подложке и, следовательно, не требуется сопряжение компонентов или сборка. Преимущество этого метода заключается в том, что геометрические измерения больше не имеют первостепенного значения для достижения функциональности наносистемы или контроля процесса изготовления.
Классификация наноструктур
[ редактировать ]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. это по их размерам.
Классификация размеров
[ редактировать ]| Размеры | Критерии | Примеры |
|---|---|---|
| Нульмерный (0-D) | Наноструктура имеет все размеры в нанометровом диапазоне. | Наночастицы, квантовые точки , наноточки |
| Одномерный (1-D) | Один размер наноструктуры находится за пределами нанометрового диапазона. | Нанопроволоки , наностержни, нанотрубки |
| Двумерный (2-D) | Два измерения наноструктуры находятся за пределами нанометрового диапазона. | Покрытия тонкопленочные-многослойные |
| Трехмерный (3-D) | Три измерения наноструктуры находятся за пределами нанометрового диапазона. | Масса |
Классификация зернистой структуры
[ редактировать ]Наноструктуры можно классифицировать на основе структуры зерен и размеров, из которых они состоят. Это применимо к двумерным и трехмерным наноструктурам.
Измерение площади поверхности
[ редактировать ]Для нанопорошков для определения удельной поверхности БЭТ обычно используют метод . Измеряется падение давления азота в закрытом контейнере из-за адсорбции молекул азота на поверхности материала, помещенного в контейнер. Также предполагается, что форма частиц нанопорошка сферическая.
- Д = 6/(р*А)
Где «D» — эффективный диаметр, «ρ» — плотность , а «А» — площадь поверхности, определенная методом БЭТ.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Программы Лаборатории машиностроения» (PDF) . США Национальный институт стандартов и технологий . Март 2008 г. Архивировано из оригинала (PDF) 1 апреля 2010 г. Проверено 4 июля 2009 г.
В данную статью включен текст из этого источника, находящегося в свободном доступе . - ^ Р. В. Лапшин (2004). «Методология функционально-ориентированного сканирования для зондовой микроскопии и нанотехнологий» (PDF) . Нанотехнологии . 15 (9). Великобритания: ВГД: 1135–1151. Бибкод : 2004Nanot..15.1135L . дои : 10.1088/0957-4484/15/9/006 . ISSN 0957-4484 . S2CID 250913438 . ( русский перевод ). есть
- ^ «Ко-Наномет: нанометрология в Европе» . Архивировано из оригинала 29 июня 2009 г.
- ^ Р. В. Лапшин (1998). «Автоматическая боковая калибровка сканеров туннельных микроскопов» (PDF) . Обзор научных инструментов . 69 (9). США: AIP: 3268–3276. Бибкод : 1998RScI...69.3268L . дои : 10.1063/1.1149091 . ISSN 0034-6748 .
- ^ Р.В. Лапшин (2019). «Нечувствительная к дрейфу распределенная калибровка сканера зондового микроскопа в нанометровом диапазоне: реальный режим». Прикладная наука о поверхности . 470 . Нидерланды: Elsevier BV: 1122–1129. arXiv : 1501.06679 . Бибкод : 2019ApSS..470.1122L . дои : 10.1016/j.apsusc.2018.10.149 . ISSN 0169-4332 . S2CID 119275633 .
Общие ссылки
[ редактировать ]- Уайтхаус, Дэвид Дж. (2011). Справочник по поверхности и нанометрологии . ЦРК Пресс. ISBN 9781420082012 . OCLC 703152969 .
- Шульте, Юрген (2005). Нанотехнологии: глобальные стратегии, отраслевые тенденции и приложения . Уайли. ISBN 9780470854006 . OCLC 56733161 .
- «Восьмой доклад Нанофорума: Нанометрология» (PDF) . Нанофорум . Июль 2006.
- Алиофхазраи, Махмуд; Рухагдам, Алиреза Сабур (2010). «Синтез и обработка наноструктурированных пленок, а также введение в плазменный электролиз и сравнение с ним» (PDF) . Изготовление наноструктур методом плазменного электролиза . Вайли-ВЧ. ISBN 9783527326754 . OCLC 676709104 .