Нанометрология
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Метрология
Издательство:
Логос
Автор:
Сергеев Алексей Георгиевич
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 416
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-98704-494-0
Артикул: 619960.03.99
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину
Содержит основные сведения по метрологическому обеспечению наноиндустрии. Рассмотрены становление наномстрологии в XX-XXI вв. и концепции ее развития. Подробно изложены современные основы технического обеспечения наномстрологии. Освещены вопросы нестабильности, точности и неопределенности наноизмерений. Особое внимание уделено основным метрологическим операциям -поверке и калибровке. Материал по сканирующей зондовой микроскопии изложен на основе семи современных стандартов, введенных в 2008-2009 гг. Описаны организационные принципы наномстрологии, системы Гостехрсгулирования через сеть региональных отделений вновь созданного Центра метрологического обеспечения нанотсхнологий и отраслевых научно-исследовательских институтов. Приведен перечень вузов, работающих в сфере наноиндустрии, и указаны основные направления их исследований в данной области.
Для ученых, инженеров и других специалистов, разрабатывающих проблемы наномстрологии. Может использоваться в учебном процессе вузов при подготовке кадров в сфере нанотсхнологий, метрологии и технического регулирования, а также в магистратуре и аспирантуре в этих научно-технических областях.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 27.04.01: Стандартизация и метрология
- 28.04.01: Нанотехнологии и микросистемная техника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.Г. СЕРГЕЕВ
НАНОМЕТРОЛОГИЯ
Москва • Логос • 2020
УДК 006
ББК 30.10
C32
Рецензенты
С.М. Аракелян, доктор физико-математических наук, профессор В.Е. Ютт, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации
Сергеев А.Г.
C32 Нанометрология: монография / А.Г. Сергеев. — М.: Логос, 2020. — 416 с.
ISBN 978-5-98704-494-0
Содержит основные сведения по метрологическому обеспечению наноиндустрии. Рассмотрены становление нанометрологии в XX— XXI вв. и концепции ее развития. Подробно изложены современные основы технического обеспечения нанометрологии. Освещены вопросы нестабильности, точности и неопределенности наноизмерений. Особое внимание уделено основным метрологическим операциям — поверке и калибровке. Материал по сканирующей зондовой микроскопии изложен на основе семи современных стандартов, введенных в 2008—2009 гг. Описаны организационные принципы нанометрологии, системы Гостехрегулирования через сеть региональных отделений вновь созданного Центра метрологического обеспечения нанотехнологий и отраслевых научно-исследовательских институтов. Приведен перечень вузов, работающих в сфере наноиндустрии, и указаны основные направления их исследований в данной области.
Для ученых, инженеров и других специалистов, разрабатывающих проблемы нанометрологии. Может использоваться в учебном процессе вузов при подготовке кадров в сфере нанотехнологии, метрологии и технического регулирования, а также в магистратуре и аспирантуре в этих научно-технических областях.
УДК 006
ББК 30.10
ISBN 978-5-98704-494-0
© Сергеев А.Г., 2020
© Логос, 2020
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..............................................5
ВВЕДЕНИЕ.......................................................9
ГЛАВА 1. СТАНОВЛЕНИЕ НАНОИНДУСТРИИ И КОНЦЕПЦИЯ
РАЗВИТИЯ НАНОМЕТРОЛОГИИ
1.1. Возникновение нанометрологии........................15
1.2. Нанометрология за рубежом...........................22
1.3. Положение России в сфере наноиндустрии..............26
1.4. Концепция развития нанометрологии...................34
ГЛАВА 2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАНОМЕТРОЛОГИИ
2.1. Методы и средства интерференционных измерений.......42
2.2. Использование принципов микроскопии в наноизмерениях ..51
2.2.1. Оптическая микроскопия.........................51
2.2.2. Электронная микроскопия........................59
2.3. Сканирующая зондовая микроскопия....................75
2.3.1. Виды сканирующей зондовой микроскопии..........75
2.3.2. Сканирующий туннельный микроскоп...............77
2.3.3. Атомно-силовой микроскоп ......................92
2.4. Разновидности ближнепольной микроскопии............112
2.5. Спектроскопия в нанометрологии.....................125
2.5.1. Общие сведения................................125
2.5.2. Атомный спектральный метод....................132
2.5.3. Молекулярные методы спектроскопии.............152
2.5.4. Радиоспектроскопия............................162
2.5.5. Ядерные методы спектроскопии..................167
2.5.6. Электронная спектроскопия.....................170
2.5.7. Рентгеноспектроскопия.........................174
2.5.8. Лазерная спектроскопия........................180
2.6. Хроматография в наноизмерениях.....................182
2.6.1. История и классификация методов хроматографии.182
2.6.2. Жидкостная хроматография......................189
2.6.3. Газовая хроматография.........................193
2.7. Сравнительный анализ технических средств нано метрологии....................................197
ГЛАВА 3. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ, ТОЧНОСТЬ И
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ НАНОИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Основные положения.................................213
3.2. Измерение линейных размеров рельефных наноструктур.216
3.3. Точность измерения линейных наноразмеров...........223
3.4. Погрешности измерения длины волны и частоты лазера.230
3.5. Нестабильность мощности излучения лазеров..........236
3.6. Разрешающая способность растрового электронного микроскопа.........................................238
3.7. Оценка расходимости лазерного излучения............240
3.8. Особенности наноизмерений в АСМ-режиме.............243
Оглавление
3.9. Введение концепции неопределенности................248
3.10. Погрешность и неопределенность....................253
3.11. Этапы оценивания погрешностей и неопределенностей.257
3.12. Пример вычисления погрешности эталона единицы длины (по данным ВНИИМ)...................................263
3.13. Определение содержания элементов методами атомной спектроскопии по ГОСТ Р 51309 - 99..................267
3.14. Оценка неопределенности значений стандартных образцов............................................272
ГЛАВА 4. ПОВЕРКА И КАЛИБРОВКА В СФЕРЕ НАНОМЕТРОЛОГИИ
4.1. Общие сведения.....................................279
4.2. Рельефные меры для нанометрового диапазона.........290
4.2.1. Классификация тест-объектов..................290
4.2.2. Поверка рельефной меры.......................296
4.2.3. Калибровка рельефной меры....................307
4.3. Измерительные растровые электронные микроскопы.....312
4.3.1. Поверка растровых микроскопов................312
4.3.2. Стандартная калибровка растровых микроскопов.316
4.3.3. Калибровка растровых микроскопов по двум координатам.............................................318
4.4. Атомно-силовые измерительные зондовые микроскопы... 321
4.4.1. Поверка атомно-силовых микроскопов...........321
4.4.2. Калибровка атомно-силовых микроскопов........325
4.4.3. Калибровка атомно-силовых микроскопов по трем координатам..............................329
4.5. Обеспечение единства измерений в лазерной технике, спектроскопии и хроматографии........................334
4.5.1. Обеспечение единства измерений параметров лазерного излучения.................................334
4.5.2. Поверка и калибровка спектрометров...........336
4.5.3. Поверка газовых хроматографов................341
4.5.4. Поверка жидкостных хроматографов.............348
4.5.5. Контроль качества приготовления проб для химического анализа.................................351
ГЛАВА 5. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ НАНОМЕТРОЛОГИИ
5.1. Основные положения.................................355
5.2. Стандартизация и сертификация в наноиндустрии......364
5.3. Цели и задачи регионального отделения ЦМО..........368
5.4. Управление деятельностью регионального отделения ЦМО ..369
5.5. Направления работ в области нанометрологии.........376
5.6. Организация исследований и кадровое обеспечение наноиндустрии.......................................378
5.7. Проблемы и задачи нанометрологии...................386
ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................397
ЛИТЕРАТУРА...................................................409
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
ААС атомно-абсорбционная спектроскопия
АС атомная спектроскопия
АСМ атомно-силовой микроскоп
АСС атомно-спектральная спектроскопия
АФА атомно-флуоресцентный анализ
АЭС атомно-эмиссионная спектроскопия
БНП быстро нагревающаяся печь
БПО ближнепольная оптика
БСОМ близкопольная (ближнепольная) сканирующая
оптическая микроскопия
ВНИИМ Всероссийский научно-исследовательский инсти тут им. Д.И. Менделеева
ВНИИНМАШ Всероссийский научно-исследовательский инсти тут по стандартизации и сертификации в маши-
ностроении
ВНИИМС Всероссийский научно-исследовательский инсти тут метрологической службы
ВНИИОФИ Всероссийский научно-исследовательский инсти тут оптико-физических измерений
ВНИИР Всероссийский научно-исследовательский инсти тут релестроения
ВНИИС Всероссийский научно-исследовательский инсти тут сертификации
ВНИИФТРИ Всероссийский научно-исследовательский инсти тут физико-технических и радиотехнических из мерений
ВС видеосигнал
ВЭЖХ высокоэффективная жидкостная хроматография
ГМС Государственная метрологическая служба
ГПЭ государственный первичный эталон
ГСИ Государственная система обеспечения единства
измерений
ГСО государственные стандартные образцы
ГСС Государственная система стандартов
ГТК Государственная телевещательная компания
ГХ газовая хроматография
Список сокращений
ДТП детектор теплопроводности
жх жидкостная хроматография
зк зеркальный клин
ИАЦ информационно-аналитический центр
икс инфракрасная спектроскопия
ИЛАК Международное сотрудничество по аккредитации
лабораторий
исо Международная организация по стандартизации
иэ исполнительный элемент
КООМЕТ Организация сотрудничества государственных метро-
логических учреждений стран Центральной и Восточ-
ной Европы
КРС квадрупольная спектроскопия
ЛСМ латерально-силовой микроскоп
ЛФТИ Ленинградский физико-технический институт
МКМВ Международный комитет мер и весов
МВД Министерство внутренних дел
МВИ методика выполнения измерений
МКВБ Международный комитет мер и весов
МО метрологическое обеспечение
МОЗМ Международная организация законодательной
метрологии
МРсМ магниторезонансная силовая микроскопия
Мс молекулярная спектроскопия
МсА молекулярный спектральный анализ
МсМ магнитный силовой микроскоп
МФД массив фотодиодов
Мх метрологическая характеристика
МэК Международная электротехническая комиссия
МэМс микроэлектромеханическая система
НИИ Научно-исследовательский институт
НИЦПВ Научно-исследовательский центр по изучению свойств
поверхности и вакуума
Список сокращений 7 НМХ нормируемые метрологические характеристики нни Национальная нанотехнологическая инициатива нсп неисключенная систематическая погрешность НТД нормативно-техническая документация ОАП оптические аналитические приборы ОЕФ относительная единица флуоресценции ОИП оптико-измерительный преобразователь ОП оптический преобразователь ОС обратная связь ОЭМ отражательный электронный микроскоп пдк предельно допустимая концентрация ПиД плазменно-ионизационный детектор ПФД плазменно-фотометрический детектор ПЭМ просвечивающий электронный микроскоп РАс рентгеновская абсорбционная спектроскопия РНЦ региональный научный центр РОМ растровый оптический микроскоп РОТЦМО региональное отделение Центра метрологического обеспечение РОЭМ растровый оже-электронный микроскоп РПс рельефные прямоугольные структуры РПЭМ растровый просвечивающий электронный микроскоп Рс рентгеновская спектроскопия РсД рентгеновская спектроскопия дисперсий РФс рентгено-фотоэлектронная спектроскопия СБИС сверхбольшие интегральные схемы СВЭМ сверхвысоковольтный электронный микроскоп СЗМ сканирующая зондовая микроскопия си средство измерения СКО среднее квадратическое отклонение СКР спектроскопия комбинационного рассеяния СНИИМ Сибирский научно-исследовательский институт ме трологии СО стандартный образец СОМ сканирующая оптическая микроскопия
Список сокращений СТерМ сканирующая термальная микроскопия СТМ сканирующий туннельный микроскоп СЭЭП спектроскопия электронных энергетических потерь тид термоионный детектор ТК технический комитет ТСХ тонкослойная хроматография униим Уральский научно-исследовательский институт метро логии УФ ультрафиолетовый фид фотоионизационный детектор ФЛ фотолюминесценция ФЛС фотолюминесцентная спектроскопия ФРС фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия ФСБ Федеральная служба безопасности ФСМ фурье-спектроскопия ФФК фундаментальные физические константы ФЦП Федеральная целевая программа ФЭу фотоэлектронный умножитель ФЭЭМ фотоэмиссионный электронный микроскоп ЦКП Центр коллективного пользования ЦМО Центр метрологического обеспечения ЦПТ Центр перспективныхх технологий ЦСМ Центр стандартизации, метрологии и сертификации ЦФО Центральный федеральный округ ЭЗД электрозахватный детектор ЭЛ электролюминесценция ЭЛС электролюминесцентная спектрография ЭЛТ электронно-лучевая трубка ЭМ электронный микроскоп ЭПР электронный парамагнитный резонанс ЭС электронная спектрография ЭСМ электростатический силовой микроскоп ЭТА электротермическая атомизация ЭФС электронно-фазометрическая система ЯГР ядерный гамма-резонанс ЯКР ядерный квадрупольный резонанс ЯМР ядерный магнитный резонанс
ВВЕДЕНИЕ
В начале XXI в. слова «нанотехнология», «наноиндустрия», ранее известные относительно узкому кругу специалистов, стали широко использоваться практически во всех сферах деятельности человека. Полагают, что термин «нанотехнологии» впервые ввел в 1974 г. японский исследователь Танигути [1].
Приставка «нано» означает одну миллиардную долю чего-либо. Так, нанометр (нм) - это миллиардная часть метра, что соответствует примерно размеру атомов, от взаимного расположения и количества которых зависит вид того или иного вещества, а также его свойства. 1 нм = 10⁻⁹ м и составляет 10 А (1 нм = 10 А). Нанотехнологиям присущи размеры от 1 до 100 нм.
Нелишне помнить, что все органические вещества, вирусы, бактерии, животные и люди образованы всего из трех наименований атомов (с небольшими добавками) - углерода, кислорода и водорода. Все зависит от формы кристаллической решетки или структуры химической молекулы, содержащей атомы. Действительно, одни и те же атомы углерода в одной структуре образуют мягкий графит, а в другой - образец твердости - алмаз. Ученые говорят: «Твердое тело - это не то, что ощущается твердым, а то, что имеет упорядоченную структуру».
Если состав физических и химических веществ ученые научились определять довольно быстро, то сложнее было изучать взаимное расположение атомов, поскольку в результате технологических процессов или природных условий образовывались вещества с всевозможными свойствами. Но эта задача к концу прошлого века в основном была решена, и сегодня можно определить, куда в структуре при различных технологиях попадают дополнительные атомы, от которых зависят свойства вещества. Хотя их распределение в массе кристалла хаотичное и неупорядоченное, уже имеется возможность собирать под контролем кристаллы нужных свойств из отдельных атомов как из деталей конструктора. То есть видеть и перемещать отдельные атомы размером в одну миллиардную долю метра. Отсюда и название - нанотехнологии.
Следует сказать, что поскольку весь мир состоит из молекул и атомов, т.е. наночастиц, то любой предмет можно было бы снабдить приставкой «нано», что привело бы к нелепицам. Поэтому под сло
Введение вом «нанотехнологии» следует понимать только поштучную сборку вещества из отдельных атомов. Один из теоретиков наномира футуролог Э. Дрекслер (США) предсказывает появление в недалеком будущем дистанционно управляемых нанороботов - ассамблеров, способных создавать любые вещества, материалы и конструкции за считанные секунды путем манипулирования отдельными атомами. Некоторые образцы таких изделий уже существуют в лабораториях ученых. К реальным наноассамблерам можно отнести атомно-силовой микроскоп. При помощи его иглы (наконечника) физики научились манипулировать молекулами и даже строить монокристаллы из так называемых «квантовых точек» - искусственных атомов. Квантовые точки создаются на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов и представляют собой большие молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов. В отличие от настоящих атомов, которые все строго одинаковы, у квантовых точек существует неизбежный разброс по форме и размерам. Таким образом, квантовая точка - это искусственный атом, лишенный ядра. Какой именно «натуральный» атом представлен искусственным, определяется числом избыточных электронов, заключенных в квантовой точке. Самое замечательное заключается здесь в том, что несмотря на отсутствие ядра искусственные атомы реагируют друг на друга точно так же, как натуральные, и вступают в те же связи. Проще говоря, вещество, созданное из искусственных атомов, теоретически не будет отличаться по своим свойствам от природного. Если электроны в определенной зоне ограничивать в их движении электростатическим полем, то, изменяя напряжение, подаваемое в эту зону, в принципе можно регулировать число электронов, попадающих внутрь зоны и выходящих из нее. Попросту говоря, достаточно будет слегка передвинуть рычажок реостата, чтобы превратить искусственный свинец в искусственное серебро или золото и наоборот. Мечта средневековых алхимиков воплощается в жизнь в XXI веке! Сегодня нанотехнологии бурно развиваются в таких областях, как информатика, электроника, медицина, строительство, сельское хозяйство. Весьма важным представляется использование квантовых точек в медицине, например в виде люминесци-рующих наномаркеров для ранней диагностики раковых клеток.
Введение 11 Перспективными направлениями развития нанотехнологий для получения новых материалов и структур являются: углеродные наноматериалы, наноструктурные металлические, керамические и композиционные материалы, наноматериалы для спинтроники и фотоники, магнитные наноматериалы, наноструктурные катализаторы, органические и полимерные наноматериалы. Масштабное применение нанотехнологии нашли в космической технике, что позволит радикально улучшить массогабаритные характеристики космических аппаратов, продлить сроки их пребывания на тех или иных орбитах, решить проблемы энергообеспечения функционирования этих аппаратов. Именно использование наноматериалов, наномеханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на Марс, освоение поверхности Луны. Уже сегодня с помощью нанотехнологий можно получать так называемые метаматериалы, обладающие свойствами, обычно не встречающимися в природе. Метаматериалы выделены в отдельный класс, так как их свойства зависят не от их химического состава, а от микроструктуры, упорядоченной особым образом. В частности, такими свойствами могут быть отрицательная диэлектрическая и магнитная проницаемость и, как следствие, отрицательный (или левосторонний) коэффициент преломления. Одним из практических применений метаматериалов является создание средств маскировки, делающих почти невозможным их обнаружение в определенном диапазоне частот электромагнитного излучения. Более общим, чем нанотехнологии, является понятие «наноиндустрия», включающее в себя нанонауку, соответствующие оборудование и средства измерения, сырье и материалы, нанопродукцию и, естественно, сами нанотехнологии. Развитие наноиндустрии свидетельствует о том, что мир подошел к следующему виду (фазе) научно-технической революции. Как показано в работе [4], первая научно-техническая революция носила индустриальноэнергетический характер. Облик мира со второй половины XVIII в. стал иным за счет качественного изменения производной энергии, машинного производства и перестройки экономики государства. Вторая научно-техническая революция с 70-х годов XX в. связана с качественными изменениями в процессах получения, переработки, передачи и хранения информации. Полупроводники, интегральные микросхемы, компьютеры и Интернет на глазах одного поколения людей сделали мир другим.
Введение Сегодня получение любого продукта осуществляется по принципу «сверху вниз». То есть из большого объема заготовительного материала получают необходимую продукцию с нужными характеристиками (деталь из большой болванки-заготовки, металл из большого количества руды, транзистор из большой номенклатуры комплектующих материалов, рубашку из большого куска полотна и т.д.). При этом в потребительский продукт в среднем превращается не более 10 % (иногда даже 1,5...2 %) исходного сырья, остальное идет в отход. Учитывая, что все земные ресурсы ограничены и конечны, тупиковый путь развития по изложенному принципу очевиден. Нанотехнологии предлагают процесс «снизу вверх», т.е. создание материалов с заранее заданными свойствами из отдельных молекул и атомов. Именно так происходит и в природе, когда из элементарных клеток вырастают разнообразные живые организмы. Реализация принципа «снизу вверх» и определяет третью фазу научно-технической революции, очевидцами и в разной степени участниками которой все мы, живущие в начале XXI в., и являемся. Сегодня нужно говорить о глобальном рынке нанотехнологий, на который мы выходим. По данным технического комитета ISO/ TC 229 «Нанотехнологии», с их помощью к 2015 г. будет производиться примерно 17 % продукции, а объем ее может достигнуть 3 трлн долларов. В развитых странах нанотехнологии уже применяют при производстве 80 групп потребительских товаров, 600 видов сырьевых материалов, комплектующих изделий и промышленного оборудования, что порождает целые гроздья стандартов и нормативов. В России выпуск нанопродукции тоже постепенно нарастает. При этом факторы риска и безопасности внедрения нанотехнологий, производства и применения нанопродукции лишь недавно попали в поле зрения ученых. Например, методы определения токсичности нанопродуктов, их воздействия на человека малоэффективны или вообще отсутствуют. Безусловно, масштабное развитие наноиндустрии невозможно без соответствующего ее метрологического обеспечения (МО). Поэтому все изложенное привело к возникновению нового направления в метрологии - «Нанометрологии». Метрологическое обеспечение единства измерений в нанотехнологиях связано с созданием эталонов физических величин, эталонных установок, разра
Доступ онлайн
400 ₽
В корзину