Нанометрология - это подраздел метрологии , связанный с наукой об измерениях на наномасштабном уровне. Нанометрология играет решающую роль для того , чтобы произвести наноматериалы и устройства с высокой степенью точности и надежности в нанопроизводстве .
Задача в этой области заключается в разработке или создании новых методов и стандартов измерения 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 новых отраслях нанотехнологий в США потребуют революционной метрологии с более высоким разрешением и точностью, чем предполагалось ранее. [1]
Введение [ править ]
Контроль критических размеров - наиболее важные факторы в нанотехнологии. Сегодня нанометрология в значительной степени основана на развитии полупроводниковой технологии. Нанометрология - это наука об измерениях на наномасштабном уровне. 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 требуется измерение до 0,1 нм.
На наномасштабе из-за малых размеров можно наблюдать различные новые физические явления. Например, когда размер кристалла меньше, чем длина свободного пробега электронов, проводимостькристалла меняется. Другой пример - дискретизация напряжений в системе. Становится важным измерение физических параметров, 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 их измерить надежно и точно. Методы измерения, используемые для макросистем, не могут быть напрямую использованы 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 - рентгеновская дифракция , 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.
Нанотехнология - важная область из-за большого количества приложений, которые она имеет, и возникла необходимость в разработке более точных методов измерения и общепринятых стандартов. Следовательно, прогресс необходим в области нанометрологии.
Потребности в развитии [ править ]
Нанотехнологии можно разделить на две части. Первая - это молекулярная нанотехнология, которая включает производство снизу вверх, а вторая - инженерная нанотехнология, которая включает разработку и обработку материалов и систем в наномасштабе. Инструменты и методы измерения и производства, необходимые для этих двух отраслей, немного отличаются.
Кроме того, требования нанометрологии различны для промышленности и исследовательских институтов. Исследования в области нанометрии развиваются быстрее, чем в промышленности, главным образом потому, что внедрение нанометрологии в промышленность затруднено. В ориентированной на исследования нанометрологии важно разрешение, 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 это не важно для исследовательской нанометрологии. Различные доступные сегодня методы измерения требуют контролируемой среды, например, в вакууме , вибрации.и бесшумная среда. Кроме того, в промышленной нанометрологии требуется, чтобы измерения были более количественными с минимальным количеством параметров.
Стандарты [ править ]
Международные стандарты [ править ]
Метрологические стандарты - это объекты или идеи, признанные авторитетными по какой-то общепринятой причине. Независимо от того, какое значение они имеют, полезно для сравнения с неизвестными с целью установления или подтверждения присвоенного значения на основе стандарта. Выполнение сравнений измерений с целью установления взаимосвязи между эталоном и каким-либо другим измерительным устройством является калибровкой. Идеальный стандарт можно независимо воспроизводить без погрешности. Согласно прогнозам, в ближайшем будущем мировой рынок продуктов с применением нанотехнологий составит не менее пары сотен миллиардов долларов. [ необходима цитата ]До недавнего времени практически не существовало установленных международно признанных стандартов в области, связанной с нанотехнологиями. Международная организация по стандартизации ТК-229 Технический комитет по нанотехнологиям недавно опубликовал несколько стандартов для терминологии, определение характеристик наноматериалов и наночастиц с использованием измерительных инструментов , таких как атомно - силовой микроскопии , SEM , интерферометров , оптоакустическими инструменты, методы адсорбции газов и т.д. Некоторые стандарты по стандартизации измерений для электрических свойства были опубликованы Международной электротехнической комиссией. Некоторые важные стандарты, которые еще предстоит установить, - это стандарты для измерения толщины тонких пленок или слоев, характеристики характеристик поверхности, стандарты для измерения силы в наномасштабе, стандарты для определения характеристик критических размеров наночастиц и наноструктур, а также стандарты для измерения физических свойств. как проводимость, эластичность и т. д.
Национальные стандарты [ править ]
Из-за важности нанотехнологий в будущем страны всего мира имеют программы по установлению национальных стандартов для нанометрологии и нанотехнологий. Эти программы осуществляются 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 шероховатости , стандарта увеличения , калибровочных стандартов и т. Д.
Калибровка [ править ]
Трудно предоставить образцы, с помощью которых можно было бы калибровать прецизионные инструменты в наномасштабе. Эталонные или калибровочные стандарты важны для обеспечения повторяемости. Но нет международных стандартов для калибровки, и артефакты калибровки, предоставляемые компанией вместе с их оборудованием, годятся только для калибровки этого конкретного оборудования. Следовательно, трудно выбрать универсальный калибровочный артефакт, с помощью которого можно добиться повторяемости в наномасштабе. На наноуровне при калибровке ухода необходимо принимать за воздействие внешних факторов , такими как вибрации , шум , движение , вызванное тепловым дрейфом и ползучестью , нелинейным поведением и гистерезисом впьезосканер [2] и внутренние факторы, такие как взаимодействие между артефактом и оборудованием, которые могут вызывать значительные отклонения.
Методы измерения [ править ]
За последние 70 лет были разработаны различные методы измерения в наномасштабе. Большинство из них основано 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) - один 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 концом с радиусом кривизны в несколько нанометров. Наконечник используется как зонд для измеряемого образца. Силы, действующие на атомном уровне между наконечником и поверхностью образца, вызывают отклонение наконечника, и это отклонение регистрируется 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 подносят очень близко к исследуемой поверхности, смещение (разность напряжений), приложенное между ними, может позволить электронам туннелировать через вакуум между ними. Измерения производятся путем отслеживания силы тока по мере того, как положение наконечника сканируется по поверхности, что затем может использоваться для отображения изображения.
Другой широко используемый инструмент - это сканирующая электронная микроскопия (SEM), 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. Возникающие взаимодействия - это обратное рассеяние электронов, пропускание электронов, вторичные электроны и т. Д. Для удаления высокоугловых электронов используются магнитные линзы.
Упомянутые выше инструменты создают реалистичные изображения поверхности и являются отличным измерительным инструментом для исследования. Промышленные применения нанотехнологий требуют, чтобы производимые измерения были более количественными. В промышленной нанометрологии требуется более высокая точность, чем разрешение, по сравнению с исследовательской нанометрологией.
Нано-координатно-измерительная машина [ править ]
Измерения координат машины(CMM), которая работает в наномасштабе, будет иметь меньший кадр, чем CMM, используемый для объектов макроуровня. Это так, потому что это может обеспечить необходимую жесткость и стабильность для достижения наномасштабных неопределенностей в направлениях x, y и z. Датчики для такой машины должны быть небольшими, чтобы можно было проводить трехмерное измерение нанометровых деталей со сторон и изнутри, как наноотверстия. Также для точности необходимо использовать лазерные интерферометры. NIST разработал инструмент для измерения поверхности под названием «Молекулярная измерительная машина». Этот инструмент по сути является 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. Для измерения с молекулярным разрешением,время измерения становится очень большим даже для очень маленькой площади. Ilmenau Machine - еще одна машина для измерения нанометров, разработанная исследователями из Технологического университета Ильменау.
Компоненты нано-КИМ включают нанозонды, аппаратуру управления, платформу для 3D-нанопозиционирования и инструменты с высоким разрешением и точностью для линейных и угловых измерений.
Список некоторых методов измерения [ править ]
 | Этот раздел имеет формат списка , но может читаться лучше как проза . ( Февраль 2017 г. ) |
| Тип | Описание |
|---|---|
| Атомно-силовая микроскопия | Прецизионный механический зонд используется для анализа неровностей поверхности. |
| Дифракция рентгеновских лучей | Кристаллическая структура вызывает расхождение рентгеновских лучей, используя угол этих дифракций, можно определить измерения. |
| Рентгеновская абсорбционная спектроскопия | Электроны ядра возбуждаются с помощью рентгеновских лучей, и их переходы измеряются. |
| Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей | |
| Сканирующая туннельная микроскопия | |
| Просвечивающая электронная микроскопия | Эффективный метод анализа биологических образцов |
| Емкостная спектроскопия | |
| Поляризационная спектроскопия | |
| Оже-электронная спектроскопия | |
| Рамановская спектроскопия | |
| Малоугловое рассеяние нейтронов | |
| Сканирующая электронная микроскопия | |
| Циклическая вольтамперометрия | |
| Вольтамперометрия с линейной разверткой | |
| Ядерный магнитный резонанс | |
| Мессбауэровская спектроскопия | |
| Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье | |
| Фотолюминесцентная спектроскопия | |
| Электролюминесцентная спектроскопия | |
| Дифференциальная сканирующая калориметрия | |
| Масс-спектрометрия вторичных ионов | |
| Катодолюминесцентная спектроскопия | |
| Спектроскопия потерь энергии электронов | |
| Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия | |
| Четырехточечный зонд и метод IV | |
| Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия | |
| Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия | |
| Спектроскопия одиночных молекул | |
| Дифракция нейтронов | |
| Интерференционная микроскопия [3] | |
| Лазерная интерферометрия | Интерферометрия Майкельсона |
Прослеживаемость [ править ]
В метрологии на макроуровне достичь прослеживаемости довольно просто, и используются такие артефакты, как шкалы, лазерные интерферометры, ступенчатые калибры и прямые кромки. В наномасштабе кристаллический высокоориентированный пиролитический графит ( ВОПГ ), поверхность слюды или кремния считается подходящей для использования в качестве калибровочного артефакта для достижения прослеживаемости. [4] [5]Но не всегда удается обеспечить отслеживаемость. Например, что такое линейка в наномасштабе, и даже если взять тот же стандарт, что и для макроуровня, нет возможности точно откалибровать его в наномасштабе. Причина в том, что необходимые стандарты, принятые на международном или национальном уровне, не всегда присутствуют. Также не было разработано измерительное оборудование, необходимое для обеспечения прослеживаемости. Обычно для прослеживаемости используются миниатюризации традиционных метрологических стандартов, поэтому существует необходимость в создании стандартов в наномасштабе. Также существует потребность в создании какой-то модели оценки неопределенности. Прослеживаемость - одно из основополагающих требований при производстве и сборке продукции при наличии нескольких производителей.
Терпимость [ править ]
Допуск - это допустимый предел или пределы изменения размеров, свойств или условий без значительного влияния на работу оборудования или процесса. Допуски указаны для обеспечения разумной свободы действий в отношении недостатков и присущей изменчивости без снижения производительности. В нанотехнологии системы имеют размеры в диапазоне нанометров. Определение допусков в наномасштабе с помощью подходящих калибровочных стандартов для прослеживаемости трудно для различных методов нанопроизводства . В полупроводниковой промышленности разработаны различные методы интеграции, которые используются в нанопроизводстве .
Техники интеграции [ править ]
- При гетероинтеграции осуществляется прямое изготовление наносистем из составных подложек. Геометрические допуски необходимы для обеспечения функциональности сборки.
- При гибридной интеграции нанокомпоненты размещаются или собираются на подложке, из которой формируются функционирующие наносистемы. В этой технике наиболее важным параметром управления является точность позиционирования компонентов на подложке.
- В монолитной интеграции все этапы производственного процесса объединены на единой подложке, и поэтому стыковка компонентов или сборки не требуется. Преимущество этого метода заключается в том, что геометрические измерения больше не имеют первостепенного значения для достижения функциональности наносистемы или управления производственным процессом.
Классификация наноструктур [ править ]
Существует множество наноструктур, таких как нанокомпозиты, нанопроволоки, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна фуллеренов, наноклетки, нанокристаллиты, наноиглы , нановолокна, наносы, наночастицы, наностолбики, тонкие пленки, наностержни, наноткани, квантовые точки и т. Д. по своим размерам.
Размерная классификация [ править ]
| 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 размера наноструктуры выходят за пределы нанометрового диапазона. | Покрытия тонкопленочные-многослойные |
| Трехмерный (3-D) | Три размера наноструктуры выходят за пределы нанометрового диапазона. | Масса |
Классификация зернистости [ править ]
Наноструктуры можно классифицировать на основе структуры и размера зерен, из которых они состоят. Это применимо в случае двумерных и трехмерных наноструктур.
Измерение площади поверхности [ править ]
Для определения удельной поверхности нанопорошка обычно используется метод БЭТ . Падение давления азота в закрытом сосуде за счет адсорбции из азота молекул на поверхности материала , вставленной в контейнере измеряется. Также предполагается, что форма частиц нанопорошка является сферической.
- D = 6 / (ρ * A)
Где «D» - эффективный диаметр, «ρ» - плотность, а «A» - площадь поверхности, определенная методом БЭТ.
См. Также [ править ]
- Характеристика наночастиц
Ссылки [ править ]
 | Эта статья включает в себя список общих ссылок , но он остается в значительной степени непроверенным, поскольку в нем отсутствует достаточное количество соответствующих встроенных ссылок . ( Июль 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
- ^ a b "Программы производственной лаборатории" (PDF) . США Национальный институт стандартов и технологий . Март 2008. Архивировано из оригинального (PDF) 01.04.2010 . Проверено 4 июля 2009 .
Эта статья включает текст из этого источника, который находится в общественном достоянии . - ↑ RV Lapshin (2004). «Методология ориентированного на признаки сканирования для зондовой микроскопии и нанотехнологий» (PDF) . Нанотехнологии . Великобритания: ВГД. 15 (9): 1135–1151. Bibcode : 2004Nanot..15.1135L . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 15/9/006 . ISSN 0957-4484 . ( Есть русский перевод ).
- ^ "Ко-наномет: нанометрология в Европе" . Архивировано из оригинала на 2009-06-29.
- ↑ RV Lapshin (1998). «Автоматическая боковая калибровка сканеров туннельных микроскопов» (PDF) . Обзор научных инструментов . США: AIP. 69 (9): 3268–3276. Bibcode : 1998RScI ... 69.3268L . DOI : 10.1063 / 1.1149091 . ISSN 0034-6748 .
- ↑ RV Lapshin (2019). «Нечувствительная к дрейфу распределенная калибровка сканера зондового микроскопа в нанометровом диапазоне: Реальный режим». Прикладная наука о поверхности . Нидерланды: Elsevier BV 470 : 1122–1129. arXiv : 1501.06679 . Bibcode : 2019ApSS..470.1122L . DOI : 10.1016 / j.apsusc.2018.10.149 . ISSN 0169-4332 . S2CID 119275633 .
Эта статья включает текст из этого источника, который находится в общественном достоянии .
Общие ссылки [ править ]
- Белый дом, Дэвид Дж. (2011). Справочник по поверхности и нанометрологии . CRC Press. ISBN 9781420082012. OCLC 703152969 .
- Шульте, Юрген (2005). Нанотехнологии: глобальные стратегии, отраслевые тенденции и приложения . Вайли. ISBN 9780470854006. OCLC 56733161 .
- «Восьмой отчет нанофорума: нанометрология» (PDF) . Нанофорум . Июль 2006 г.
- Алиофхазраи, Махмуд; Rouhaghdam, Алиреза Сабур (2010). «Синтез и обработка наноструктурированных пленок, а также введение и сравнение с плазменным электролизом» (PDF) . Изготовление наноструктур методом плазменного электролиза . Wiley-VCH. ISBN 9783527326754. OCLC 676709104 .