Лекция 15

Метрология и стандартизация объектов с размерами порядка нанометра.

В XX в. состояние экономики высокоразвитых стран определялось в значительной степени развитием так называемых "высоких технологий" в авиации, космо­навтике, ядерной энергетике, электронике, а в конце века – в микроэлектронике и информатике. Начало XXI в. охарактеризовалось созданием нового направ­ления в науке и технике – нанотехнологии.

Во всем мире идет стремительное развитие нанотехнологии в научном, техническом и прикладном плане, которое позволяет решать многие экономиче­ские и социальные задачи. Это предопределяет необ­ходимость системного подхода как в организации са­мих научных исследований, так и во внедрении их результатов в различные сферы экономической жизни общества. При этом под нанотехнологией подразумевается следующее:

- знание и управление процессами, как правило, в масштабе нанометра, но не исключающее масштаб 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, 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.

Специфической особенностью нанотехнологии является их межотраслевой характер, при котором одно и то же явление, обусловленное масштабным эффектом, может быть использовано в различных отраслях экономической жизни общества, таких как информационно-телекоммуникационные технологии, медицина (включая диагностику болезней на ранних стадиях), фармакология, производство новых материалов и материаловедение, сельское хозяйство, экология и многое другое. Междисциплинарный характер нанотехнологии, различные терминология, исследовательские, технологические и измерительные подходы и методы, используемые в различных отраслях разными научными центрами и лабораториями, привели к некой разобщенности, затрудняющей осуществление успешного обмена технической информацией.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Нанотехнологии и физика наночастиц привлекает внимание современных исследователей, ввиду того, что при приближении размеров исследуемых объектов к нанометровым, их свойства начинают достаточно сильно зависеть от линейных размеров и кардинально отличаться от свойств макрочастиц того же состава.

Так, например в работе «Электронные свойства нанокластеров металлов и проблемы нанометрии» (, , , , ) показано, что электронные свойства кластеров металлов размером d < 3 нм существенно отличаются от свойств объемных металлов: наблюдается ослабление электронной экранировки, изменение плотности состояний на уровне Ферми, и появление дискретной структуры в спектре электронных состояний.

Особенности электронной структуры нанокластеров, по-видимому, обуславливают их уникальные физические и химические свойства, определяющие большой практический интерес к таким объектам в области наноэлектроники, нанокатализа, медицины. В связи с возможными перспективами широкого использования нанокластеров в настоящее время возникла необходимость в метрологии наноматериалов. Поэтому необходима идентификация общих физических свойств нанокластеров, которые могли бы выступать в качестве метрологических характеристик данных объектов.

Как известно, в метрологии рассматривают связь между физическими величинами и принципами построения системы единиц измерения. В свою очередь физическая величина трактуется как свойство физических объектов, общее в качественном отношении для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта. Особенность построения метрологии истинных нанообъектов (1÷100 нм), т. е. нанометрологии, состоит в том, что при уменьшении размеров массивного тела до нанометровых его физико-химические свойства постепенно (или скачкообразно) меняются, с формированием новой фазы вещества, отличной от исходной (объемного твердого тела). Наночастицы, в которых характерный размер становится соизмеримым с какой-либо физической величиной размерности длины (длина волны де Бройля, длина свободного пробега электронов проводимости, глубина скин-слоя), будут проявлять свойства, которые отличны от свойств частиц с размерами больше нанометровых. Например, в металлах происходит изменение характера межатомной связи от металлической до ковалентной, с переходом кластера металла в неметаллическое состояние при уменьшении его размера (~2÷3 нм, наблюдаются явления локализации электронов, появление каталитической активности, флуктуации проводимости, приводящие к отсутствию самоусредняемости в системе наночастиц, флуктуации формы наночастиц. Изменение физических характеристик нанокластеров также определяется соотношением атомов в объеме и на поверхности кластера, свойства которых существенно отличаются.

В силу этого нанометрология должна развиваться в двух направлениях. Первый путь развития заключается в повышении точности существующих методов измерения характеристик макроскопических объектов до наномасштаба и главным образом связан с совершенствованием технологии. Второй путь развития связан с разработкой новых методов измерения характеристик наноразмерных объектов в области размеров, на которых начинают проявляться особые свойства вещества, не присущие макроскопическим объектам.

Поскольку объективной количественной оценкой физической величины является единица величины, то в случае нанообъектов трудно однозначно определить шкалу физической величины. Помимо проблемы создания единиц физических величин в нанометрологии существует также проблема выбора методов и средств измерений, методов определения точности измерений и обеспечения единства измерений.

В настоящее время в связи с развитием нанотехнологии возникла насущная необходимость общего пересмотра определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными константами. Например, квантовый эффект Холла, приводящий к квантованию сопротивления в двумерных электронных системах R = RH/m, где RH = h/e2 = 25812.8 Ом. Высокая точность, стабильность и воспроизводимость величины RH позволяет считать ее эталоном сопротивления. Квантовый электрический стандарт может быть представлен метрологической триадой, связывающей измеряемые величины (напряжение V, сила тока I и частота v) с квантовыми эффектами: нестационарный эффект Джозефсона (V/v = m·2e/h), квантовый эффект Холла (V/I = m·h/e2) и эффект одноэлектронного туннелирования (I/v = m·e).

Решение всех вышеперечисленных задач требует создания фундаментальных основ нанометрологи, в частности: исследование физических, химических механических, трибологических, оптических, электрических свойств нанообъектов; определение предельных параметров нанообъектов, при которых их свойства начинают качественно отличаться от свойств макроскопических объектов; определение характеристик нанообъектов, измерение которых необходимо для разработки методик метрологического обеспечения и создания эталонов нанообъектов; пересмотр физического смысла определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными константами, и флуктуационными явлениями, характерными для нанообъектов. Сложность решения данных задач обусловлена качественными изменениями свойств вещества в наномасштабах по сравнению с макроскопическими объектами и флуктуационной природой формирования и свойств нанообъектов.

Нанометрология – метрология в нанодиапазоне

История развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы, методов и средств измерений. В настоящее время вся деятельность человека может быть охвачена единой шкалой размеров (рис. 1).

Рисунок 1. Шкала линейных размеров в экономической деятельности человека.

Во главе этой шкалы стоит Первичный эталон единицы длины – метр. Разные отрасли экономической деятельности человека занимают разные области на этой шкале. Переход к нанотехнологии поставил перед наукой и техникой ряд новых специфических задач, обусловленных малыми размерами элементов и структур, с которыми имеет дело нанотехнология.

В нанотехнологии как нигде более актуален тезис "если нельзя измерить, то невозможно создать". Все страны, участвующие в нанотехнологическом прорыве, 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.

Метрология, с одной стороны, – это наука об измерениях, методах и средствах достижения повсеме­стного единства и требуемых точностей измерений. 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.

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 разные 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.

Специфика нанотехнологий привела к развитию нового направления в метрологии – нанометрологии, с которой связаны все теоретические и практические аспекты метрологического обеспечения единства из­мерений в нанотехнологиях. Во-первых, это эталоны физических величин и эталонные установки, а также стандартные образцы состава, структуры и свойств для обеспечения передачи размера единиц физиче­ских величин в нанодиапазон (рис. 2).

Рисунок 2. Структурная схема передачи единицы физической величины в нанометровый диапазон.

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.

Из самого определения нанотехнологий, опери­рующей с объектами нанометровой протяженности, естественным образом следует первоочередная задача измерений геометрических параметров объекта (см. рис. 2), что, в свою очередь, обуславливает необходи­мость обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазоне. Но этим обстоятельством роль нанометрологии линейных измерений не исчер­пывается. Метрология линейных измерений в не­явном виде присутствует в подавляющем большинст­ве методов и средств обеспечения единства измерений физико-химических параметров и свойств объектов нанотехнологий, таких как механические, оптические, электрические, магнитные, акустические и т. д. Во многом из перечисленного необходимо осуществлять прецизионное пространственное позиционирование зонда измерительного устройства в место требуемого съема измерительной информации. При этом диапа­зон линейного сканирования по каждой координате может простираться от единиц нанометра до сотен и более микрометров, перекрывая более шести поряд­ков значений измеряемой величины (см. рис. 1), а требуемая точность выставления координаты составлять десятые доли нанометра.

Стандартизация в нанотехнологиях

С метрологией тесным взаимопроникающим об­разом связана стандартизация. Одна из первоочеред­ных ее задач – стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов и структур нанотехнологий, подлежащих измерениям. При межотрасле­вом и междисциплинарном характере нанотехнологий, различной терминологии и различных исследова­тельских и измерительных приемах и методах – это непростая последовательно решаемая задача, несущая в себе позитив объединяющего начала. К этой же проблеме вплотную примыкает необходимость стан­дартизации терминов и определений в нанотехнологиях, направленная на решение проблематики общения и взаимопонимания различных групп исследователей не только внутри одной отдельно взятой страны, но и в рамках междисциплинарного обмена информацией между странами. Отсюда закономерное следствие – необходимость создания аттестованных и стандарти­зованных методик выполнения измерений, методик калибровки и поверки средств измерений, применяе­мых в нанотехнологиях, и многого другого, что пере­числялось в задачах нанометрологии.

Особый аспект стандартизации – решение задач обеспечения здоровья и безопасности операторов тех­нологических процессов равно как и лиц, взаимодей­ствующих с продукцией нанотехнологий на всех эта­пах ее производства, испытаний, исследований и при­менений, а также экологической безопасности окру­жающей среды.

Из всего вышесказанного логически следует, что наибольший вклад приходится на метрологию, по­скольку именно она является количественным бази­сом стандартизации.