Возникновение нанометрологии

Тема 6

Метрология и стандартизация в нанотехнологиях

 

Возникновение нанометрологии

Возникновение нанометрологии, естественно, связано с появлением понятий «нанотехнологии» и «наноиндустрии». Современные исследователи считают, что основанием прогресса в сфере «нано» стало изобретение в 1948 году транзистора, который генерирует, усиливает и преобразует электрические сигналы.

Становление и новые открытия в наноиндустрии и нанотехнологии потребовали возникновения нового направления в метрологии – нанометрологии.

Одна из особенностей сферы нанотехнологий – действие в ней физических законов, отличных от законов макромира. Это неизбежно сказывается на методах и средствах познания. Требуются совершенно новые приборы, а порой и принципы измерений. Необходимы унификация и четкая классификация метрологического оборудования, в частности зондовых и сканирующих микроскопов. Не исключено даже появления новых видов физических величин для измерений в нанодиапазоне.

В 1931 году немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты.

В 1982 году два физика Герд Бинниг и Генрих Рорер в Исследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе (Швейцария) сконструировали прибор совершенно нового типа, с помощью которого можно было рассматривать отдельные атомы на поверхности. Создателям этого прибора – сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) – в 1986 году была присуждена Нобелевская премия. В основу изобретения ученых лег туннельный эффект, который теоретически обосновал сотрудник ЛФТИ Г.А. Гамов ещё в 1940 г.

В конце 1986 года тот же Бинниг предложил конструкцию прибора нового поколения, который тоже позволяет исследовать поверхности с точностью до атома, но уже вовсе не обязательно электропроводящие. Новый прибор был назван атомным силовым микроскопом (АСМ).

Это только некоторые шаги, предшествующие появлению нанометрологии.

Нанометрология – это метрология в нанодиапазоне. Метрология, с одной стороны, – это наука об измерениях, методах и средствах достижения их повсеместного единства и требуемых точностей. С другой стороны, – это институт обеспечения единства измерений в стране, включающий стандартизацию единиц физических величин, их воспроизведение с наивысшей точностью с помощью государственных эталонов и передачу размеров единиц физических величин иерархическим образом сверху вниз всем средствам измерений (приборам), допущенным к применению на территории страны. Именно уровень точности и достоверности измерений способен либо стимулировать развитие соответствующих отраслей, либо служить сдерживающим фактором.

Отличие нанометрологии от обычной метрологии обусловлено тем, что переход в область нанометровых масштабов сопровождается не только количественными, но и качественными изменениями свойств вещества. Развитие нанометрологии требует пересмотра физического смысла определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными физическими константами (ФФК), и флуктуационными явлениями, характерными для нанообъектов. В нанометрологии также существует проблема выбора методов и средств измерений, а также выбора параметров нанообъектов, необходимых для создания их эталонов.

Основные новые явления и эффекты, которые возникают и используются при проведении исследований в нанодиапазоне и их возможное применение представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1 – Возможное применение эффектов в наноматериалах

Эффект наноразмера	Применение
Увеличенное отношение площади поверхности к объему, усиленная реактивность	Катализ, солнечные элементы и батареи, газовые датчики
Низкий порог перколяции (просачивания, фильтрации)	Проводимость материалов, чувствительные элементы датчиков
Увеличенная стойкость и износоустойчивость, порождаемая уменьшением размеров зерен (гранул)	Стойкие покрытия, инструменты, защитные слои
Сужение шины запрещенной зоны при одновременном уменьшении размера зерна (гранулы)	Оптоэлектроника
Повышенное удельное сопротивление при одновременном уменьшении размера зерна (гранулы)	Электроника, пассивные элементы, чувствительные элементы датчиков
Улучшенная атомная кинетика переноса	Батареи, хранилища водорода
Пониженная температура плавления и агломерации (спекания)	Обработка материалов, низкая температура агломерации (спекания) материалов
Повышение надежности, снижение уровня усталости	Электронные компоненты

 

Трибология (la tribos – трение) как наука занимается исследованием и описанием процессов контактного взаимодействия взаимоперемещающихся деформируемых тел. Областью трибологических исследований являются процессы трения, изнашивания и смазки. Раздел физики, изучающий процессы взаимодействия твердых тел при их относительном перемещении.

 

Все страны, в которых на уровне правительства приняты программы создания и развития наноиндустрии, осознают необходимость опережающего развития метрологии, стандартизации и сертификации в этой области. В наноиндустрии как ни в какой другой сфере деятельности человека справедлив тезис: «Если вы не можете это измерить, то вы не можете это сделать».

Это же обстоятельство обусловлено и разнообразием величин, измеряемых в нанотехнологиях: биологические; химические; физические; физиологические; акустические; электронные/электрические; магнитные; оптические; фотонические; радиочастотные; термические и термохимические; термические и термодинамические; термические и термофизические; характеристики вычислительных средств; характеристики программного обеспечения; системные характеристики; кинетические; механические; молекулярные; пространственные.

В нынешних условиях прогресс в области нанометрологии напрямую зависит от степени участия в разработке проблем наноиндустрии самого государства.

Первой страной, оценившей фантастические возможности нанотехнологий, стали США. Еще в период 1996 – 1998 годов США поставили цель – стать мировым лидером практически во всех видах наноиндустрии. В 2000 году была принята обширная долгосрочная научно-техническая программа под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива» (ННИ), рассчитанная на 20 лет.

Экспертные оценки показывают, что на метрологическое обеспечение развития микроэлектроники в направлении наноэлектроники в США ежегодно тратится более 4 млрд. долларов. Метрология в области нанотехнологий теснейшим образом связана со стандартизацией. Технические комитеты по стандартизации (ТК) в странах с активно развивающимися нанотехнологиями стали создаваться в 2004 – 2005 годах. Так, в США в настоящее время стандартизацией в области нанотехнологий занимаются три организации: ASTM, ANSI и IEEE. В США в разработке находится не менее 30 стандартов в области нанотехнологий. В области нанотехнологий и нанометрологии сегодня наиболее известны работы Национального института стандартов и технологий (NIST, США).

В 2001 году и в Японии была принята государственная программа «Нанотехнология и будущее общество» под девизом «создание общества гармонии с природой». Программой предусмотрено и развитие нанометрологии.

Решение задач нанометрологии осуществляется на основе международного сотрудничества. В первую очередь, здесь надо отметить создание в ноябре 2005 года Технического комитета Международной организации по стандартизации (International organization for standardization – ISO) ISO/TC 229 «Нанотехнологии» (ТК ИСО 229).

Наряду с американскими институтами и Британским институтом стандартов (BSI) наиболее активными участниками разработки нанометрологических проблем выступают: Национальная физическая лаборатория Великобритании (NPL), Национальный метрологический институт Франции (LNE), Физико-технический институт Германии (РТВ).

В Международной электротехнической комиссии (МЭК) технический комитет ТК 113 «Стандартизация нанотехнологии для электротехнических и электронных изделий и систем» ведет Немецкий институт стандартов.

ИСО ТК 229 состоит из консультативной группы и трех рабочих групп (РГ): «Терминология и номенклатура», «Измерения и характеристики» и «Медицинские, экологические аспекты и безопасность нанотехнологии». В состав активных членов входят 29 стран, включая Российскую Федерацию, 10 стран являются наблюдателями на заседаниях ТК.

Анализ принятых и разрабатываемых стандартов показывает, что в основном они формируются в три группы:

- стандарты на измерения и испытания (включая терминологию);

- стандарты на качество и безопасность (включая здоровье);

- стандарты на совместимость и взаимодействие.

Особое внимание уделяется оценке токсичности наночастиц, разработке методов оценки токсичности и создания «каталога» наночастиц с рейтингом токсичности. Вводится понятие зараженности окружающей среды наночастицами – «дозы», аналогично «дозе радиоактивности».

Это – за рубежом, а у нас в России состояние таково.

Уже в начале XXI века в России в рамках Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 – 2006 годы появился раздел «Индустрия наносистем и материалы». Приказом № 73 от 05.03.2001 года Госстандарт создает комитет технический комитет – ТК 441 «Нанотехнологии и наноматериалы», который вошел в Международную структуру ИСО/ТС 229 «Нанотехнологии».

В состав ТК 441 вошли:

- Научно-исследовательский центр по изучению свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ),

- Институт радиотехники и электроники РАН,

- Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС),

- Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ВНИИОФИ),

- Физико-технологический институт РАН,

- Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН,

- Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН,

- Центр фотохимии РАН,

- Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН,

- Институт физики полупроводников СО РАН,

- Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН,

- Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов,

- Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»,

- фирма НТ-МДТ (г. Зеленоград),

- Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш»,

- Московский институт стали и сплавов,

- Московский физико-технический институт.

Российский ТК 441 «Нанотехнологии» взаимодействует не только с ИСО/ТК 229 «Нанотехнологии», но и Международным комитетом МЭК/ТК 113 «Стандартизация в области нанотехнологий электротехнической, электронной продукции и систем».

ТК 441 включает четыре подкомитета:

- ПК 1 «Терминология»;

- ПК 2 «Измерение и характеристики»;

- ПК 3 «Обеспечение безопасности, здоровья и экологические аспекты нанотехнологий» и

- ПК 4 «Спецификации наноматериалов».

В дальнейшем в рамках президентской инициативы «Стратегия развития наноиндустрии» (№ Пр-688 от 24 апреля 2007 года) разработана Федеральная целевая программа «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы», принятая Правительством Российской Федерации 7 сентября 2007 года.

Метрологические аспекты наноиндустрии отражены в отдельных документах: «Стратегия обеспечения единства измерений в России на 2008 – 2010 годы и до 2015 года», принятая Правительством Российской Федерации от 20 сентября 2007 года, и «Концепция обеспечения единства измерений, стандартизации, оценки соответствия и безопасности использования нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года».

Фундаментальные исследования, связанные с прямыми измерениями физико-химических параметров веществ и материалов нанотехнологии, элементов и устройств нанотехники, требуют понимания закономерностей взаимодействия измерительного средства с объектом измерения. Поэтому особую важность приобретают вопросы метрологии и стандартизации таких измерений, их метрологического обеспечения, вопросы передачи размера единицы физической величины в нанометровый диапазон, характеризующийся своими специфическими особенностями.

Вся деятельность человека может быть охвачена единой шкалой размеров, в основе которой заложен Первичный эталон единицы длины – метр. Разные отрасли экономической деятельности человека занимают разные области на этой шкале (рис. 6.1).

 

Рис. 6.1 – Диапазоны размеров, используемые в различных отраслях экономики

 

В конце XX и начале XXI века на передний план развития выдвигаются высокие технологии, главными из которых являются микроэлектроника и нанотехнология. Микроэлектроника оперирует с элементами рельефа поверхности твердого тела, имеющими минимальные размеры (критические размеры) в сотни нанометров, и в ближайшие годы ожидается переход к десяткам нанометров, а нанотехнология оперирует с характерными размерами от сотен нанометров до десятых долей нанометра (расстояние между атомами в твердом теле). При этом необходимо учесть, что эволюция технологии микроэлектроники в нанометровую область опережает прогнозы аналитиков (табл. 6.2).

Таблица 6.2 – Планируемые в Международной Программе развития полупроводниковой промышленности минимальные размеры элементов микросхем по годам [8]

Технологические характеристики	Г о д ы
Критический размер (КР), нм
Точность измерений КР, нм	1,3	0,9	0,6	0,4	0,3	0,2	0,18

 

Эти обстоятельства подчеркивают необходимость решения проблемы создания методов и средств линейных измерений в нанометровом диапазоне и обеспечении единства таких измерений.

В табл. 6.3 приведен перечень физических величин, подлежащих измерению в наноиндустрии. Из таблицы очевидны метрологические требования, которые должны быть предъявлены к техническим средствам для достижения заданной точности измерения.

Таблица 6.3 – Диапазоны измерений в наноиндустрии

Физическая величина	Диапазон измерений	Физическая величина	Диапазон измерений
Длина, м	10-11 ÷ 1	Доля примесей, %	10-8 ÷ 10-6
Масса, кг	10-15 ÷ 102	Сила тока, А	10-16 ÷ 102
Время, с	10-16 ÷ 106	Напряжение, В	10-11 ÷ 105
Температура, К	1 ÷ 3200	Мощность, Вт	10-17 ÷ 1010
Давление, Па	10-11 ÷ 103	Индуктивность, Гн	10-18 ÷ 102
Расход, м3/с	10-7 ÷ 1017	Емкость, Ф	10-19 ÷ 1
Плотность, кг/м3	10-1 ÷ 104	Сопротивление, Ом	10-7 ÷ 1017
Концентрация, см3	1010 ÷ 1022	Частота, Гц	10-4 ÷ 1010

 

НИИ измерения последнее десятилетие уделяет этой проблеме серьезное внимание. Созданы специальное оборудование, методики и средства, решающие ряд проблем нанометрологии, в том числе:

- меры для воспроизведения параметров длин в нанометровом диапазоне;

- образцовые меры для воспроизведения параметров внутренних и поверхностных напряжений;

- меры ширины раскрытия и глубины трещин;

- устройство механическое для тонкой подачи с нанодискретностью 5 – 10 нм;

- приборы с электронным индикатором контакта.

Первичный эталон длины, вошедший в XXI век, базируется на трех великих открытиях ХХ века.

Во-первых, это открытие и бурное развитие лазеров – источников монохроматического излучения с высокой степенью пространственной и временной когерентности. Оно внесло в метрологию линейных измерений возможность перехода от линии излучения криптона-86 к излучению лазера, обладающего более высокой стабильностью и добротностью.

Во-вторых, прямые измерения частоты оптического излучения высокостабилизированного гелий-неонового He-Ne-лазера позволили определить скорость света с, исходя из соотношения

с = λν,

где частота ν определена, исходя из эталона частоты, а длина волны λ – исходя из определения эталона метра.

Третьим открытием является постоянство скорости света в любой инерциальной системе координат.

Вместо двух основных первичных эталонов (длины и времени) решено использовать новые основные эталоны: скорость света и частоту.

На IX Сессии Консультативного комитета по длине в сентябре 1997 года рекомендованные значения частоты и длины волны излучения HeNe/J₂-лазера, стабилизированного по линии насыщенного поглощения в молекулярном йоде (J₂), составили

ν = 473 612 214 705 кГц

λ = 632,99139822 нм

Так появился «световой метр», равный длине пути, проходимого светом за 1/299792458 часть секунды. Здесь скорость света в вакууме объявлена важнейшей фундаментальной константой физики с = 299792458 м/с.

Первичный эталон метра, реализующий этот физический принцип, обеспечивает воспроизведение единицы длины (метра) с относительным среднеквадратическим отклонением (неопределенностью) 2⋅10⁻¹¹. Таким образом, за промежуток времени немногим более 100 лет (активная жизнь трех поколений) точность эталона метра увеличилась более чем на четыре порядка (10000 раз).

Наноиндустрия, имеющая дело с объектами, размеры которых не превосходят размеров атома, уже сейчас требует решения проблемы единства линейных измерений в нанометровом диапазоне.

Наноизмерения осуществляют с помощью сложных приборов – электронных и атомно-силовых микроскопов, однако для их применения нужно провести калибровку, то есть создать специальные «нанолинейки».

Создавать «нанолинейки» с использованием интерферометров начали в начале 90-х годов прошлого века. Современный интерферометр позволяет измерять перемещение тел с точностью до долей диаметра атома, это достигается детектированием изменения картин интерференции трёх световых потоков от одного источника лазерного излучения. Пожалуй, наибольшего успеха в области создания «нанолинеек» добились исследователи Массачусетского технологического института, которые методом растровой интерференционной литографии на пластине с фоторезитом диаметром 300 мм нанесли периодические насечки, создав таким образом, своеобразную линейку с ошибкой измерения длины в 1,1 нм. Не отстает от мирового прогресса и Россия, где производят аналогичные «линейки» для измерения длин наноотрезков с ошибкой от 0,5 до 3 нм. Поддалась измерению и масса наночастиц: с развитием масс-спектроскопии оказалось возможным зарегистрировать массы отдельных нанокластеров и макромолекул.

Для калибровки измерительных атомно-силовых (АСМ) и растровых электронных микроскопов (РЭМ), являющихся одними из основных инструментов в нанотехнологиях, разработаны эталоны сравнения – линейные меры, позволяющие существенно повысить точность и достоверность измерения наноперемещений и геометрических параметров наноразмерных объектов. Разработаны соответствующие методики калибровки и поверки АСМ и РЭМ. Разработана «Концепция обеспечения единства измерений, стандартизации, оценки соответствия и безопасности использования нанотехнологий, наноматериалов и продукции наноиндустрии в Российской Федерации до 2015 года».

Предложенная Ростехрегулированием Концепция предусматривает комплексный подход к решению проблемы метрологического обеспечения создаваемой нанотехнологической сети предприятий наноиндустрии.

Развитие национальной системы обеспечения единства измерений в соответствии с Концепцией приведено на рис. 6.2.

На рис. 6.2 символы 1-D, 2-D и 3-D означают размерность наноматериала (размерность наноструктур):

D-1 – одномерные (нити, проволоки толщиной менее 100 нм);

D-2 – двумерные (тонкие пленки, покрытия и т.п.), где электроны не претерпевают тепловых соударений;

D-3 – трехмерные (имеющие длину, ширину, высоту).

Существует еще D-0 – нульмерные – (квантовые точки) и фрактальные размерности 1<D<2 (или 3>D>2). Это поверхности твердых тел с нецельной размерностью наноматериала.

Размерность нанообъекта – число степеней свободы электронного газа в нанообъемах. Это координатная размерность – линия, плоскость, объем.

Линейные измерения в этой области длин производятся с помощью новых, созданных во второй половине ХХ века приборов, – зондовых микроскопов (оптических ближнего поля, растровых электронных, сканирующих туннельных и атомно-силовых), обладающих высоким разрешением.

Для того чтобы превратить эти приборы в средства измерений, необходимо осуществлять их калибровку с абсолютной привязкой к Первичному эталону длины – метру. Традиционная схема такой привязки со многими ступенями (разрядами промежуточных эталонов) для этого не годится – слишком большая потеря точности на промежуточных уровнях. Необходима новая схема, в которой устраняются некоторые промежуточные уровни. Лучше всего оставить один уровень – одну меру малой длины, которая обладала бы свойствами, связывающими ее с первичным эталоном и с рабочими средствами измерений.

Таким образом, концептуально нанометрология базируется на метрологическом комплексе, в основе которого растровая электронная и сканирующая зондовая микроскопия, лазерная интерферометрия и рентгеновская дифрактометрия, обеспечивающие воспроизведение и передачу единицы измерения от эталона до рабочего нанометрового диапазона.

Метрология является количественным базисом стандартизации и сертификации. Стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур нанотехнологий, подлежащих измерениям, – весьма непростая и трудоемкая задача, особенно при межотраслевом и междисциплинарном характере нанотехнологий, различной терминологии и различных исследовательских и измерительных приемах и методах. К этой же проблеме примыкает необходимость стандартизации терминов и определений в нанотехнологиях для обеспечения общения и взаимопонимания различных групп исследователей не только внутри одной страны, но и в рамках междисциплинарного и международного обмена информацией.

Сертификация – это подтверждение соответствия параметров и свойств объектов, материалов и структур, технологических процессов, а также инструментальной и измерительной базы требованиям технических регламентов, стандартов и иных нормативных документов.