Измерения в сфере нанотехнологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Российский экономический университет им. Г.В. Плеханова»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Стандартизация, метрология»

На тему «Измерения в сфере нанотехнологий»

Выполнила студентка группы 190-734бТП/15

очной формы обучения

факультета ГРТСИ

Соловьева Анастасия Олеговна

Москва -- 2017 год

ВВЕДЕНИЕ

Развитие всех сфер экономики идет по пути научно-технического прогресса. В 20 веке состояние экономики высокоразвитых стран определялось в значительной степени развитием, т. н., «высоких технологий» в авиации, космонавтике, ядерной энергетике, электронике, а в конце века микроэлектронике и информатике. Начало 21 века охарактеризовалось созданием нового направления в науке и технике -- нанотехнологии. Во всем мире идет стремительное развитие нанотехнологии в научном, техническом и прикладном плане, включая решение многих экономических и социальных задач, что предопределяет необходимость системного подхода как в организации самих научных исследований, так и во внедрении их результатов в различные сферы экономической жизни общества. В целом фронт нанотехнологических исследований охватывает широкие области науки и техники -- от электроники и информатики до сельского хозяйства, в котором возрастет роль генномодифицированной продукции.

В числе разработок, результаты которых просматриваются в ближайшие 5--10 лет, -- электроника и информационные технологии на основе новых материалов, новых устройств, новых условий и техники монтажа, новых нанопозиционеров, новых методов записи и считывания информации, новых устройств фотоники в оптических линиях связи. В числе перспективных проектов, по прогнозам аналитиков, -- наноматериалы (нанотрубки, материалы для солнечной энергетики, топливные элементы нового типа), биологические наносистемы, наноустройства на основе наноматериалов, наноизмерительная техника, нанообработка. В наномедицине прогнозируется метод лечения не болезни, а индивидуально человека по его генетической информации, причем медикаментами с адресной нанодоставкой.

калибровка нанометровый диапазон эталонный

Нанометрология

История развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы, методов и средств измерений. Переход к нанотехнологии поставил перед наукой и техникой ряд новых специфических задач, обусловленных малыми размерами элементов и структур, с которыми имеет дело нанотехнология. Здесь, как нигде более, актуален тезис «если нельзя измерить, то невозможно создать». Все страны, вступившие в нанотехнологический прорыв, прекрасно представляют необходимость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся области знания, поскольку именно уровень точности и достоверности измерений способен либо стимулировать развитие соответствующих отраслей экономической жизни общества, либо служить сдерживающим фактором. Что есть метрология? С одной стороны -- это наука об измерениях, методах и средствах достижения их повсеместного единства и требу- емых точностей измерений.

С другой стороны -- это институт обеспечения единства измерений в стране, включающий стандартизацию единиц физических величин, их воспроизведение с наивысшей в стране точностью с помощью госу- дарственных эталонов и передачу размеров единиц физических величин иерархическим образом сверху вниз всем средствам измерений (приборам), допущенным к приме- нению на территории страны. Главная задача метрологии -- обеспечение единства измерений, т. е. достижение такого состояния, при котором результаты измерений выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Мы совершенно не задумываемся, пользуясь обычной школьной линейкой, что ее шкала иерархически привязана к государственному эталону метра.

Ввиду этого различные пользователи различных линеек, измеряя длину одного и того же объекта, получают один и тот же результат (естественно, в рамках определенной погрешности). В этом и состоит смысл обеспечения единства измерений. Специфической особенностью нанотехнологий является их междисциплинарный характер, при котором одно и то же явление, обусловленное масштабным эффектом, может быть использовано в различных отраслях экономической жизни общества, как-то: информационно-телекоммуникационные технологии, медицина, фармакология, производство новых материалов и материаловедение, сельское хозяйство, диагностика болезней на ранних стадиях, экология и многое др. Междисциплинарный характер нанотехнологий, различная терминология и различные исследовательские, технологические и измерительные подходы и методы, используемые в различных отраслях различными научными центрами и лабораториями, привели к некой разобщенности, затрудняющей осуществление успешного обмена технической информацией. Этим обстоятельством, в первую очередь, инициировано создание Технического комитета ИСО (Международная организация по стандартизации) ИСО/ТК 229 «Нанотехнологии». Свое первое заседание ИСО/ТК 229 провел 9--11 ноября 2005 г. в Лондоне. Организатор заседания -- Британская организация по стандартизации, которая и осуществляет ведение секретариата этого комитета. Первоочередные задачи ИСО/ТК 229, сформулированные участниками заседания -- странами-участниками ИСО, крайне заинтересованными в развитии этой области человеческого знания, состоят в стандартизации в области нанотехнологий в следующих направлениях: термины и определения, метрология и методы испытаний и измерений, стандартные образцы состава и свойств, моделирование процессов, медицина и безопасность, воздействие на окружающую среду.

Решение этих первоочередных задач даст мощный импульс развитию нанотехнологий и их практическим применениям и внедрениям в различных отраслях. Область деятельности Технического комитета ИСО/ТК 229, как и следует из названия, -- стандартизация в нанотехнологиях. При этом под нанотехнологиями подразумевается следующее: знание и управление процессами, как правило, в масштабе нанометра, но не исключающее масштаб менее 100 нанометров, в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений; использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, которые отличаются от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти новые свойства. Специфика нанотехнологий привела к развитию нового направления в метрологии -- нанометрологии, с которой связаны все теоретические и практические аспекты метрологического обеспечения единства измерений в нанотехнологиях. В первую очередь -- это эталоны физических величин и эталонные установки, а также стандартные образцы состава, структуры и свойств для обеспечения передачи размера единиц физических величин в нанодиапазон. Во-вторых, это аттестованные или стандартизованные методики измерений физико- химических параметров и свойств объектов нанотехнологий, а также методики калибровки (поверки) самих средств измерений, применяемых в нанотехнологиях. В-третьих, это метрологическое сопровождение самих технологических процессов производства материалов, структур, объектов и иной продукции нанотехнологий. Здесь уместно подчеркнуть, что именно недостаточный уровень метрологии в отечественной микроэлектронике, сыграл свою негативную роль среди прочих факторов, приведших ее к нынешнему состоянию.

Обеспечение единства измерений в нанометровом диапазоне

В конце 20 в. Метрологическое обеспечение измерений длин менее 1 м осуществлялось только в диапазоне 1 мкм - 1м, которому соответствовала многоступенчатая структурная схема передачи размера единицы длины от Первичного эталона к измеряемому объекту. Эту схему можно представить в виде пирамиды, в основании которой находится вся совокупность рабочих средств измерений, а вершину занимает Первичный эталон единицы длины.

Бурное развитие нанотехнологии, имеющей дело с объектами, размеры которых порядка атомных, уже сейчас требует решения проблемы обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне (1-1000нм). Линейные измерения в этой области длин производятся с помощью новых, созданных во 2-й половине 20 в приборов - зондовых микроскопов, обладающих высоким разрешением.

Чтобы превратить эти приборы, расположенные у потребителя, из наблюдательных в средства измерений, необходимо осуществлять калибровку этих приборов с абсолютной привязкой к ПЭ единицы длины - метру.

Страны, вступившие в нанотехнологический прорыв, хорошо представляют необходимость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся области. Именно уровень точности и достоверности измерений способен стимулировать развитие соответствующих отраслей экономики либо сдерживать его. Особо важно то, что в нанотехнологиях приборно-аналитическая и технологическая составляющие работают на пределе возможностей. Это увеличивает вероятность ошибки, связанной, кроме того, с человеческим фактором.

В этой связи метрологии и стандартизации принадлежит особая роль ключевых элементов приборно-аналитической, технологической и интеллектуальной составляющих нанотехнологий и наноиндустрии.

Создание таких стандартных образцов и мер сопровождается разработкой соответствующих методик поверки и калибровки их самих и средств измерений с их применением, а также методик измерений параметров и характеристик объектов и продукции нанотехнологий и наноиндустрии с использованием указанных средств измерений.

Одна из первоочередных задач стандартизации в нанотехнологиях - стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур, подлежащих измерениям. Отсюда закономерное следствие - необходимость аттестованных и стандартизованных методик измерений, калибровки и поверки, применяемых в нанотехнологиях средств измерений и многое другое, что определяется потребностями развития инфраструктуры наноиндустрии.

Особый аспект стандартизации - решение задач обеспечения здоровья и безопасности операторов технологических процессов и лиц, взаимодействующих с продукцией нанотехнологий при ее производстве, испытаниях, исследованиях и применении вплоть до утилизации, а также экологической безопасности окружающей среды.

Нанотехнологии и ИСО

Междисциплинарный характер нанотехнологий инициировал создание в 2005 году в рамках Международной организации по стандартизации (ИСО) Технического комитета ИСО/ТК229 «Нанотехнологии». Годом позже в Международной электротехнической комиссии был образован Технический комитет МЭК/ТК113 «Стандартизация в области нанотехнологий для электрических и электронных изделий и систем».

Российская сторона представлена в этих комитетах национальным Техническим комитетом ТК441 «Нанотехнологии». Следует подчеркнуть, что ИСО/ТК229 и МЭК/ТК113 осуществляют свою деятельность в условиях паритетного партнерства, обмена информацией, проведения совместных заседаний, консультаций, форумов, создания совместных рабочих групп по ключевым вопросам стандартизации.

Первоочередные задачи, сформулированные участниками ИСО и МЭК - заинтересованными в развитии этой области странами - состоят в стандартизации в сфере нанотехнологий в направлениях:

* метрология и методы испытаний и измерений;

* стандартные образцы состава структуры, размера и свойств;

* термины и определения; моделирование процессов;

* медицина и безопасность;

* воздействие на окружающую среду.

Решение этих задач даст мощный импульс развитию нанотехнологий и их практическим применениям и внедрениям в различных отраслях.

Область деятельности ИСО/ТК229 и МЭК/ТК113, как следует из названия, - стандартизация в нанотехнологиях, под которыми в формулировке ИСО/ТК229 подразумевается:

* знание и управление процессами, как правило, в масштабе нанометра (не исключая масштаба менее 100 нм) в одном или более измерениях, когда ввод в действие размерного эффекта (явления) приводит к возможности новых применений;

* использование свойств объектов и материалов в нанометровом масштабе, отличающихся от свойств свободных атомов или молекул, а также от объемных свойств вещества, состоящего из этих атомов или молекул, для создания более совершенных материалов, приборов, систем, реализующих эти новые свойства.

Фундаментальные исследования в нанотехнологиях дают метрологии новые знания и принципы построения эталонов, создания стандартных образцов, требуют новых методов и средств обеспечения единства измерений.

Проблемно-ориентированные исследования в нанотехнологиях открывают новые возможности и новые потребности измерительного базиса. Так, изучение особенностей взаимодействия измерительных нанозондов, пучков заряженных частиц, рентгеновского и оптического излучений с наноструктурированными объектами определили цели, задачи и пути решения проблем нанометрологии и стандартизации, метрологического обеспечения измерений в нанотехнологиях, разработки стандартизованных методик измерений и калибровки стандартных образцов и мер состава, структуры, размера и свойств и средств измерений, а также стандартизованных методик измерений требуемых параметров объектов и продукции наноиндустрии.

Почему в нанометрологии столь большое внимание уделяют реализации линейной шкалы в нанометровом и прилегающем диапазонах?

Во-первых, обеспечение единства измерений геометрических параметров нанообъекта - первоочередная задача нанотехнологий.

Во-вторых, измерения многих параметров и свойств объектов нанотехнологий связаны с необходимостью позиционирования зонда измерительного устройства в заданное место с наивысшей точностью.

Обеспечение единства измерений физико-химических параметров и свойств объекта требует привязки соответствующего средства измерений к эталону, воспроизводящему единицу величины (например, проводимости - к эталонному сопротивлению), а в нанотехнологиях в большинстве случаев для «точности попадания в цель» еще и обязательной привязки к базисному эталону единицы длины.

Уникальность базисного эталона не ограничивается этим дуализмом. Видно, что диапазон измерений длины от единиц нанометров до сотен микрометров перекрывает более пяти порядков значений измеряемой величины при точности измерений в диапазоне в десятые - единицы нанометра.

Большинство методов исследований, широко применяемых в наноиндустрии, - просвечивающая и растровая электронная микроскопии (РЭМ), сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), ионно-полевая микроскопия, фотоэмиссионная и рентгеновская спектрометрии, рентгеновская дифрактометрия требуют калибровки средств измерений по стандартным образцам состава, структуры, свойств с известными размерными (геометрическими) характеристиками. Например, один из известных способов определения размеров ультрадисперсных частиц заключается в изучении рассеяния на них света, зависящего от соотношения размеров частиц, длины волны падающего излучения и поляризации. При определении размеров частиц, как правило, используется лазерное излучение, однако для калибровки такого средства измерений необходим набор ультрадисперсных частиц с дискретным рядом точно заданных размеров.

Нанометрология в России

Первостепенная задача опережающего развития нанометрологии - реализация наношкалы в нанометровом и прилегающих диапазонах. Именно этой проблеме посвящаются многочисленные конференции и публикации. В решение этой фундаментальной проблемы нельзя не отметить существенный вклад России. Достижение предельных возможностей при измерениях длины в нанометровом диапазоне связано с использованием при сохранении абсолютной привязки к первичному эталону метра высокоразрешающих методов РЭМ и СЗМ в сочетании с лазерной интерферометрией и рентгеновской дифрактометрией.

В России концептуально создана основа метрологического обеспечения измерений длины в диапазоне 1-1000 нм. разработаны:

· методология обеспечения единства измерений в данном диапазоне, включающая принципы электронной и зондовой микроскопий, лазерной интерферометрии и рентгеновской дифрактометрии;

· метрологический комплекс, обеспечивающий воспроизведение и передачу размера единицы длины в диапазоне 1-1000 нм вещественным мерам длины с погрешностью 0,5 нм;

· поколение мер малой длины для калибровки средств измерений в данном диапазоне, в том числе меры нанорельефа поверхности;

· методология и алгоритмы измерения параметров профиля элементов микро- и наноструктур;

· пакет компьютерных программ для автоматизации таких измерений.

Важнейший этап в решении задач метрологического обеспечения линейных измерений в нанометровом диапазоне - создание вещественных носителей размера - мер, с программируемым нанорельефом поверхности, которые обеспечивают калибровку средств измерений с наивысшей точностью.

Развитие нанотехнологий ужесточает требования к измерительным системам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными расстояниями, что требует серьезного отношения к обеспечению единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. РЭМ и СЗМ только тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры соответствующим образом аттестованы, калибруются и контролируются, причем последнее осуществляется непосредственно в процессе измерений. Трехмерные меры или эталоны сравнения - материальные носители размера - своеобразный мост между объектом измерений и эталоном метра - идеальное средство для осуществления таких операций. Непреложно одно: культура измерений требует, чтобы любой РЭМ или СЗМ, независимо от того, где они работают - в научной или промышленной лаборатории, учебном заведении или в технологическом процессе, - должны быть укомплектованы мерами, обеспечивающими калибровку и контроль параметров этих устройств. Только тогда производимые измерения могут претендовать на достоверность.

Использование методов и средств калибровки и аттестации производителями РЭМ и СЗМ позволит им создавать новые приборы с лучшими характеристиками, которые, в свою очередь, обеспечат дальнейшее продвижение на пути развития нанотехнологий.

В обеспечение нормативно-методической базы нанометрологии разработаны и последовательно вводятся в действие национальные стандарты:

* ГОСТ Р 8.628-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристаллического кремния. Требования к геометрическим формам, линейным размерам и выбору материала для изготовления».

* ГОСТ Р 8.629-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки».

* ГОСТ Р 8.630-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные. Методика поверки» ;

* ГОСТ Р 8.631-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика поверки» .

* ГОСТ Р 8.635-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика калибровки» .

* ГОСТ Р 8.636-2007 «Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки» .

* ГОСТ Р 8.644-2008 «Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика калибровки».

* ГОСТ Р 8.696-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах и распределение интенсивностей в дифракционных картинах. Методика выполнения измерений с помощью электронного дифрактометра».

* ГОСТ Р 8.697-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Межплоскостные расстояния в кристаллах. Методика выполнения измерений с помощью просвечивающего электронного микроскопа».

* ГОСТ Р 8.698-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Размерные параметры наночастиц и тонких пленок. Методика выполнения измерений с помощью малоуглового рентгеновского дифрактометра» .

* ГОСТ Р 8.700-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Методика измерений эффективной высоты шероховатости поверхности с помощью сканирующего зондового атомно-силового микроскопа».

Организации-разработчики вышеназванных стандартов:

- Государственный научный метрологический центр НИЦПВ;

- РНЦ «Курчатовский институт»;

- Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова РАН;

- Московский физико-технический институт.

Все это создает предпосылки и закладывает основы ускоренного развития в России высоких технологий, и особенно главной из них - нанотехнологии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие нанотехнологии, широкое внедрение ее достижений в науку, технику, производство, обеспечение качества продукции немыслимы без опережающего развития методов и средств измерений. Если невозможно измерить, то нельзя сделать. Эта фраза характеризует развитие любой отрасли.

Опережающее развитие метрологического обеспечения нанотехнологий и, в первую очередь, обеспечение единства линейных измерений в нано и прилегающим к нему диапазонах -- основа основ нанометрологии, один из основных факторов успешного развития нанотех- нологии -- главной составляющей экономического развития общества в целом.

СПИСОК ЛИТРЕТУРЫ

1. М.Т.Postek Nanometer -- Scale Metrology// Proceedings of SPIE.2002, vol.4608, p.84-96.

2. Тодуа П.А. Метрология в нанотехнологии. - Российские нанотехнологии. 2007, т. 2, № 1-2, с.61-69.

3. Тодуа П.А., Быков В.А., Волк Ч.П., Горнев Е.С., Желкобаев Ж., Зыкин Л.М., Ишанов А.Б., Календин В.В., Новиков Ю.А., Озерин Ю.В., Плотников Ю.И. , A.M. Прохоров, Раков А.В., Саунин С.А., Черняков В.Н. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом и нанометровом диапазоне и их внедрение в микроэлектронику и нанотехнологию. - Микросистемная техника, 2004, № 1, с.38-44; № 2, с.24-39; № 3, с.25-32.

Размещено на Allbest.ru