Методы микроскопии. Книга 1

 
 
 
 
 
 
 
 
КОМПЛЕКТ 

учебно-методических комплексов дисциплин 
по тематическому направлению деятельности 
национальной нанотехнологической сети 

«НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

Методы микроскопии 

БИБЛИОТЕКА «НАНОИНЖЕНЕРИЯ» 

 
В семнадцати книгах 
 
 
 1. МЕТОДЫ МИКРОСКОПИИ 

 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 3. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 
В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 4. МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ 3D-ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАНОСЕНСОРОВ 

 7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 
НАНОСИСТЕМ 

 8. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ НАНОСИСТЕМ 

 9. МЕТОДЫ ЛИТОГРАФИИ В НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 10. ЭЛИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ 

 11. ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 12. ОПТИЧЕСКАЯ МИКРОСКОПИЯ 

 13. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НАНОСИСТЕМ 

 14. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИКРО- 
И НАНОСИСТЕМ 

 15. БИОНАНОИНЖЕНЕРИЯ 

 16. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОИНЖЕНЕРИИ 

 17. САПР НАНОСИСТЕМ 

 
 
 
 
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана 
Москва 2011 

Введение 
3 

А. И. Власов, К. А. Елсуков, Ю. В. Панфилов 
 
 
 
 
 
 
МЕТОДЫ 
МИКРОСКОПИИ 
 
 
 
Учебно-методический комплекс 
по тематическому направлению деятельности 
ННС «Наноинженерия» 
 
 
 
Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, 
члена-корреспондента РАН, профессора 
В. А. Шахнова 
 
 
Допущено учебно-методическим объединением вузов 
по университетскому политехническому образованию 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся 
по направлению 152200 «Наноинженерия» 
 
 
 

 

Методы микроскопии 

УДК 361.3.06; 621.382 
ББК 32.85 
 
В58 
 
УМК подготовлен в соответствии с заданием государственного контракта 
№ 16.647.12.2008 на выполнение работ в рамках направления 2-й федеральной 
целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии 
в Российской Федерации на 2008–2011 годы» 
 
Рецензенты: 

кафедра «Вакуумная электроника» Московского физико-технического 
института (зав. кафедрой, академик РАН  А. С. Бугаев); 
кафедра «Электроника и информатика» Российского государственного 
технологического университета им. К. Э. Циолковского 
(зав. кафедрой, профессор  С. Б. Беневоленский) 
 
 

В58 

Власов А. И.

Методы микроскопии : учеб. пособие / А. И. Власов, К. А. Елсу-

ков, Ю. В. Панфилов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. –
280 с. : ил. (Библиотека «Наноинженерия» : в 17 кн. Кн. 1).

 
ISBN 978-5-7038-3492-3 (кн. 1) 
 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
Методические материалы по дисциплине «Методы микроскопии» содержат 
нормативную базу дисциплины, рекомендации по организации 
и проведению лекций, практических занятий, семинаров, лабораторных 
работ и деловых игр, перечень учебных видео- и аудиоматериалов, слайдов, 
типовых плакатов и другие дидактические материалы для работы 
профессорско-преподавательского состава по данной дисциплине. 
Для студентов, аспирантов и преподавателей высших технических 
учебных заведений по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем 
подготовки «Наноинженерия». Будет полезен всем, занимающимся 
вопросами нанотехнологий, наноинженерии, проектированием МЭМС 
и НЭМС, созданием электронных систем различного назначения. 
 
УДК 361.3.06; 621.382 
ББК 32.85 
 
 
 
 Власов А. И., Елсуков К. А., 
 
 
Панфилов Ю. В., 2011 
 
 Министерство образования 
 
 
и науки РФ, 2011 
ISBN 978-5-7038-3492-3 (кн. 1) 
 Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3509-8 
 
им. Н. Э. Баумана, 2011 

Введение 
5 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Успех в продвижении России по нанотехнологическому пути 
развития во многом будет зависеть от эффективности системы 
подготовки кадров, для создания и развития которой необходимо 
современное и качественное учебно-методическое обеспечение. 
Основная особенность нанотехнологии – ее междисциплинарный 
характер, который требует особых методических приемов 
и подбора соответствующего научного и учебного материала. 
В настоящее время имеется существенная нехватка учебно-
методического обеспечения такого характера. Поэтому адаптация 
учебно-методического обеспечения для подготовки кадров по программам 
высшего профессионального образования для тематических 
направлений ННС и его апробация на базе ведущих университетов 
Российской Федерации направлены на реализацию инновационной 
модели образования, подразумевающую тесную связь 
учебного и научно-исследовательского процесса на базе проектных 
методов обучения, современных экспериментальных методик 
и перспективных технологических процессов создания наномате-
риалов, наноструктур, приборов, устройств и систем на их основе. 
Современные образовательные программы должны обеспечивать 
приобретение студентами профессиональных навыков и компетенций, 
необходимых для эффективной и самостоятельной работы 
в наноиндустрии. 
В связи с этим актуальной задачей является разработка и издание 
УМК, которые обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования по тематическому 
направлению деятельности ННС «Наноинженерия» образовательными 
учреждениями высшего профессионального образования 
на территории Российской Федерации. 
Целью создания данного комплекта УМК является повышение 
эффективности междисциплинарной подготовки бакалавров и магистров 
путем распространения передового опыта в разработке 

Методы микроскопии 

УМО среди вузов, осуществляющих подготовку по тематическим 
направлениям ННС, и внедрения компонентов вариативного 
маршрутного 
обучения 
на 
базе 
адаптированного 
учебно-
методического комплекса дисциплин по тематическому направлению 
деятельности ННС «Наноинженерия». 
УМК разработаны коллективом авторов в рамках реализации 
федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры 
наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». 
На базе представленных УМК создана вариативная система 
маршрутного междисциплинарного обучения студентов по тематическому 
направлению деятельности ННС «Наноинженерия», 
обеспечивающая подготовку квалифицированных специалистов 
с соответствующими профилями. Разработаны электронные версии 
учебно-методических комплексов дисциплин на основе Web-
версии, соответствующей стандарту SCORM 2004, 3rd edition 
(http://nanolab.iu4.bmstu.ru). 
Глубокую благодарность авторы выражают рецензентам: А. С. Бугаеву – 
академику РАН, заведующему кафедрой Московского физико-
технического института, и С. Б. Беневоленскому – профессору, 
заведующему кафедрой Российского государственного технологического 
университета им. К. Э. Циолковского, чьи замечания способствовали 
улучшению содержания УМК. 
Разработанные 17 УМК обеспечат учебно-методическую поддержку 
подготовки бакалавров и магистров по основным образовательным 
программам высшего профессионального образования 
по направлению подготовки «Нанотехнология» с профилем подготовки «
Наноинженерия» образовательными учреждениями высшего 
профессионального образования на территории Российской Федерации. 

Авторы будут признательны читателям за все замечания по содержанию 
УМК, которые следует направлять по адресу: 105005, 
Москва, 2-я Бауманская ул., МГТУ им. Н. Э. Баумана. 
 
В. А. Шахнов 

Введение 
7 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 

АСМ 
– атомно-силовая микроскопия 
ДНК 
– дизоксирибонуклеиновая кислота 
ИС 
– интегральная схема 
КЕМ 
– контактная ёмкостная микроскопия 
КНИ 
– кремний-на-изоляторе 
МЛЭ 
– молекулярно-лучевая эпитаксия 
МПВ 
– метод постоянной высоты 
МПТ 
– метод постоянного тока 
МСМ 
– магнитно-силовая микроскопия 
МЭМС – микроэлектромеханическая система 
НПМ 
– нанопористый материал 
НРС 
– наноразмерная структура 
НЭМС – наноэлектромеханическая система 
ПАВ 
– поверхностные акустические волны 
ПЭМ 
– просвечивающая электронная микроскопия 
РСМА – рентгеноспектральный микроанализ 
РЭМ 
– растровая электронная микроскопия 
СБИС 
– сверхбольшие интегральные схемы 
СБОМ – сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия 
СВД 
– спектрометр волновой дисперсии 
СВЧ 
– сверхвысокие частоты 
СЗМ 
– сканирующая зондовая микроскопия 
ССМ 
– сканирующая силовая микроскопия 
СТМ 
– сканирующая туннельная микроскопия 
СЭМ 
– сканирующая электронная микроскопия 
УФ 
– ультрафиолет 
ЧЭ 
– чувствительный элемент 
ЭСМ 
– электростатическая силовая микроскопия 

Методы микроскопии 

ВВЕДЕНИЕ 

Дисциплина «Методы микроскопии» охватывает основные вопросы 
по проведению измерений различными методами и методиками, 
анализа результатов измерений, а также выработки выводов 
по наиболее эффективному и адекватному применению. 
Методологически дисциплина «Методы микроскопии» строиться 
на основе оптимального соотношения теоретических и прикладных 
вопросов с обязательным участием студентов в самостоятельном 
исследовании особенностей процессов исследования 
нанообъектов и наносистем. Программа дисциплины направлена 
на решение задач, которые ставятся перед специалистами в современных 
условиях разработки и производства наносистем, требующих 
широких знаний как в области проектирования и технологии 
производства ЭС, так и в методах их сертификации и измерений. 
Лабораторные работы, включенные в состав дисциплины 
«Методы микроскопии», спланированы таким образом, чтобы студенты 
могли осознать, закрепить и расширить знания, полученные 
на лекциях, а также смогли сами провести измерения наносистем 
самыми распространенными методами. 
Учитывая большое разнообразие измерительных методов, методологий 
и приборов для проведения измерений, в состав курса 
«Методы микроскопии» включены лабораторные работы по основным 
методам измерений. Лабораторные работы ориентируют 
студентов на решение типовых задач исследования и анализа 
нанообъектов, возникающих при производстве элементной базы 
электронной аппаратуры, выбор соответствующих поставленной 
задаче методов и методик проведения измерений, обладающих 
максимальной эффективностью. Темы лабораторных работ и их 
содержание связаны с формированием и развитием у будущих 
специалистов практических навыков измерения, анализа результатов 
измерений и формулирования выводов по наиболее эффективному 
применению методов и средств микроскопии. 

Введение 
9 

В составе дисциплины «Методы микроскопии» предусмотрены 
теоретические разделы, по которым имеются доступные учебно-
методические материалы и учебная литература, изучаемые студентами 
самостоятельно. Содержание соответствующих тем разделов 
направлено на усиление роли фундаментальных знаний в теоретической 
и профессиональной подготовке студентов и способствует 
формированию фундаментальных системных знаний и развитию 
творческих способностей. 

1. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ 

Основная цель дисциплины: освоение базовых методик проведения 
научного эксперимента средствами микроскопии. 
Задачи дисциплины: формирование теоретических и практических 
навыков работы с методами и средствами микроскопии. 

1.1. НАНОРАЗМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ: 
КЛАССИФИКАЦИЯ, ФОРМИРОВАНИЕ 
И ИССЛЕДОВАНИЕ 

1.1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ 

На сегодняшний момент можно с уверенностью сказать, что 
изучение наноразмерных структур (далее – наноструктур) относится 
к направлению «нанотехнологии». Важными составляющими 
этого научно-технического направления является разработка 
и изучение наноструктурных материалов (далее – наноматериа-
лов), наноразмерных объектов (далее – нанообъектов), способов 
их совмещения, а также исследование свойств полученных нано-
структур в различных условиях. 
Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозит-
ными, нанофазными, нановолокнистыми, нанопористыми и т. д. 
[2, 6, 8, 10, 11, 21, 44]) принято понимать материалы, основные 
структурные элементы (кристаллиты, волокна, слои, поры) которых 
не превышают так называемой нанотехнологической границы 
– 100 нм 
9
(1 нм
10
 м),
−
=
 по крайней мере в одном направлении1. 

                                                      
1 Здесь не рассматриваются традиционные материалы (например, дисперсно-упрочненные 
или обычно деформируемые), в структуре которых мелкие элементы занимают незначительный (
не более 10%) объем.