Нанометрология - Nanometrology
Нанометрология является подполем метрология, озабоченный наукой о измерение на наноразмер уровень. Нанометрология играет решающую роль в производстве наноматериалов и устройств с высокой степенью точности и надежности в нанопроизводство.
Задача в этой области состоит в разработке или создании новых методов и стандартов измерения для удовлетворения потребностей современного производства следующего поколения, которое будет опираться на материалы и технологии нанометрового масштаба. Потребности в измерении и описании новых структур и характеристик образцов намного превышают возможности современной измерительной науки. Ожидаемые достижения в новых отраслях нанотехнологий США потребуют революционной метрологии с более высоким разрешением и точностью, чем предполагалось ранее.[1]
Вступление
Контроль критических размеров - наиболее важные факторы в нанотехнологии. Сегодняшняя нанометрология в значительной степени основана на развитии полупроводник технологии. Нанометрология - это наука о измерение на наномасштабном уровне. Нанометр или нм эквивалентен 10 ^ -9 м. В нанотехнологиях важен точный контроль размеров объектов. Типичные размеры наносистем варьируются от 10 нм до нескольких сотен нм, а при изготовлении таких систем требуется измерение до 0,1 нм.
На наномасштабе из-за малых размеров можно наблюдать различные новые физические явления. Например, когда размер кристалла меньше длины свободного пробега электронов, проводимость кристалла меняется. Другой пример - дискретизация напряжений в системе. Становится важным измерение физических параметров, чтобы применить эти явления в разработке наносистем и их производстве. Измерение длины или размера, силы, массы, электрических и других свойств включено в нанометрологию. Проблема в том, как измерить их с надежностью и точностью. Методы измерения, используемые для макросистем, не могут быть напрямую использованы для измерения параметров в наносистемах. Были разработаны различные методы, основанные на физических явлениях, которые можно использовать для измерения или определения параметров наноструктур и наноматериалов. Некоторые из популярных: Дифракция рентгеновских лучей, просвечивающая электронная микроскопия, Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения, атомно-силовая микроскопия, сканирующая электронная микроскопия, автоэмиссионная сканирующая электронная микроскопия и метод Брунауэра, Эммета, Теллера для определения удельной поверхности.
Нанотехнология - важная область из-за большого количества приложений, которые она имеет, и возникла необходимость в разработке более точных методов измерения и общепринятых стандартов. Следовательно, прогресс необходим в области нанометрологии.
Потребности в развитии
Нанотехнологии можно разделить на две части. Первое существо молекулярная нанотехнология который включает производство снизу вверх, а второй - инженерные нанотехнологии которые включают разработку и обработку материалов и систем в наномасштабе. Инструменты и методы измерения и производства, необходимые для этих двух отраслей, немного отличаются.
Кроме того, требования нанометрологии различны для промышленности и исследовательских институтов. Исследования в области нанометрии развиваются быстрее, чем в промышленности, главным образом потому, что внедрение нанометрологии в промышленность затруднено. В ориентированной на исследования нанометрологии важно разрешение, тогда как в промышленной нанометрологии точность имеет приоритет перед разрешающая способность. Кроме того, по экономическим причинам важно иметь низкие временные затраты в промышленной нанометрологии, тогда как это не важно для исследовательской нанометрологии. Различные доступные сегодня методы измерения требуют контролируемой среды, как в вакуум, вибрация и бесшумная среда. Кроме того, в промышленной нанометрологии требуется, чтобы измерения были более количественными с минимальным количеством параметров.
Стандарты
Международные стандарты
Метрология стандарты являются объектами или идеями, признанными авторитетными по какой-то общепринятой причине. Независимо от того, какое значение они имеют, полезно для сравнения с неизвестными с целью установления или подтверждения присвоенного значения на основе стандарта. Выполнение сравнений измерений с целью установления взаимосвязи между эталоном и каким-либо другим измерительным устройством является калибровкой. Идеальный стандарт можно независимо воспроизводить без погрешности. Согласно прогнозам, в ближайшем будущем мировой рынок продуктов с применением нанотехнологий составит не менее пары сотен миллиардов долларов.[нужна цитата ] До недавнего времени практически не существовало установленных международно признанных стандартов в области, связанной с нанотехнологиями. В Международная организация по стандартизации Технический комитет TC-229 по нанотехнологиям недавно опубликовал несколько стандартов терминологии, характеризующих наноматериалы и наночастицы используя инструменты измерения, такие как AFM, SEM, Интерферометры, оптоакустические инструменты, методы газовой адсорбции и т. д. Некоторые стандарты стандартизации измерений электрических свойств были опубликованы Международная электротехническая комиссия.Некоторые важные стандарты, которые еще предстоит установить, - это стандарты для измерения толщины тонких пленок или слоев, характеристики характеристик поверхности, стандарты для измерения силы в наномасштабе, стандарты для характеристики критических размеров наночастиц и наноструктур, а также стандарты для измерения физических величин. такие свойства, как проводимость, эластичность и т. д.
Национальные стандарты
Из-за важности нанотехнологий в будущем страны всего мира имеют программы по установлению национальных стандартов для нанометрологии и нанотехнологий. Эти программы осуществляются национальными агентствами по стандартизации соответствующих стран. В Соединенных Штатах, Национальный институт стандартов и технологий работает над разработкой новых методов измерения в наномасштабе, а также установил некоторые национальные стандарты для нанотехнологий. Эти стандарты предназначены для характеристики наночастиц, Шероховатость Характеристика, увеличение стандарт калибровка стандарты и т. д.
Калибровка
Трудно предоставить образцы, с помощью которых можно было бы калибровать прецизионные инструменты в наномасштабе. Ссылка или калибровка стандарты важны для обеспечения повторяемости. Но нет международных стандартов для калибровки, и артефакты калибровки, предоставляемые компанией вместе с их оборудованием, годятся только для калибровки этого конкретного оборудования. Следовательно, трудно выбрать универсальный калибровочный артефакт, с помощью которого можно добиться повторяемости в наномасштабе. В наномасштабе при калибровке необходимо учитывать влияние внешних факторов, таких как вибрация, шум, движения, вызванные тепловой дрейф и ползать, нелинейное поведение и гистерезис из пьезосканер[2] и внутренние факторы, такие как взаимодействие между артефактом и оборудованием, которые могут вызывать значительные отклонения.
Методы измерения
За последние 70 лет были разработаны различные методы измерения в наномасштабе. Большинство из них основано на некоторых физических явлениях, наблюдаемых при взаимодействии частиц или силах в наномасштабе. Некоторые из наиболее часто используемых методов - это атомно-силовая микроскопия, рентгеновская дифракция, сканирующая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения и сканирующая электронная микроскопия с полевой эмиссией.
Атомно-силовая микроскопия (AFM) - один из наиболее распространенных методов измерения. Его можно использовать для измерения топологии, размера зерна, характеристик трения и различных сил. Он состоит из кремниевого кантилевера с острым концом с радиусом кривизны в несколько нанометров. Наконечник используется как зонд для измеряемого образца. Силы, действующие на атомном уровне между острием и поверхностью образца, вызывают отклонение острия, и это отклонение регистрируется с помощью лазерного пятна, которое отражается на матрицу фотодиодов.
Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) - еще один широко используемый инструмент. Он используется для измерения трехмерной топологии образца. СТМ основан на концепции квантовое туннелирование. Когда проводящий наконечник подносят очень близко к исследуемой поверхности, смещение (разность напряжений), приложенное между ними, может позволить электронам туннелировать через вакуум между ними. Измерения производятся путем отслеживания силы тока по мере того, как положение наконечника сканируется по поверхности, которое затем можно использовать для отображения изображения.
Другим широко используемым инструментом является сканирующая электронная микроскопия (SEM), которая помимо измерения формы и размера частиц и топографии поверхности может использоваться для определения состава элементов и соединений, из которых состоит образец. В SEM поверхность образца сканируется пучком электронов высокой энергии. Электроны в пучке взаимодействуют с атомами в образце, и взаимодействия регистрируются с помощью детекторов. Возникающие взаимодействия - это обратное рассеяние электронов, пропускание электронов, вторичные электроны и т. Д. Для удаления высокоугловых электронов используются магнитные линзы.
Упомянутые выше инструменты создают реалистичные изображения поверхности и являются отличным измерительным инструментом для исследования. Промышленные применения нанотехнологий требуют, чтобы производимые измерения были более количественными. В промышленной нанометрологии требуется более высокая точность, чем разрешение, по сравнению с исследовательской нанометрологией.
Нано-координатно-измерительная машина
А координатно-измерительная машина (CMM), которая работает в наномасштабе, будет иметь меньший кадр, чем CMM, используемый для объектов макроуровня. Это так, потому что это может обеспечить необходимую жесткость и стабильность для достижения наномасштабных неопределенностей в направлениях x, y и z. Датчики для такой машины должны быть небольшими, чтобы можно было проводить трехмерное измерение нанометровых деталей со сторон и изнутри, как наноотверстия. Также для точности необходимо использовать лазерные интерферометры. NIST разработал инструмент для измерения поверхности под названием «Молекулярная измерительная машина». Этот инструмент по сути является СТМ. Оси x и y считываются лазерными интерферометрами. Молекулы на площади поверхности можно идентифицировать индивидуально, и в то же время можно определить расстояние между любыми двумя молекулами. Для измерения с молекулярным разрешением время измерения становится очень большим даже для очень маленькой площади поверхности. Ilmenau Machine - еще одна машина для измерения нанометров, разработанная исследователями из Технологического университета Ильменау.
Компоненты нано-КИМ включают нанозонды, аппаратуру управления, платформу 3D-нанопозиционирования и инструменты с высоким разрешающая способность и точность за линейный и угловое измерение.
Список некоторых методов измерения
 |
Прослеживаемость
В метрологии на макроуровне достичь прослеживаемости довольно просто, и используются такие артефакты, как шкалы, лазерные интерферометры, ступенчатые калибры и прямые кромки. На наномасштабе a кристаллический высокоориентированный пиролитический графит (HOPG ), слюда или кремний Поверхность считается подходящей для использования в качестве калибровочного артефакта для обеспечения прослеживаемости.[4][5] Но не всегда удается обеспечить отслеживаемость. Например, что такое линейка в наномасштабе, и даже если взять тот же стандарт, что и для макроуровня, нет возможности точно откалибровать его в наномасштабе. Причина в том, что необходимые стандарты, принятые на международном или национальном уровне, не всегда присутствуют. Также не было разработано измерительное оборудование, необходимое для обеспечения прослеживаемости. Обычно для прослеживаемости используются миниатюризация традиционных метрология стандартов, следовательно, существует необходимость в установлении стандартов в наномасштабе. Также существует потребность в создании какой-то модели оценки неопределенности. Прослеживаемость - одно из основополагающих требований при производстве и сборке продукции при наличии нескольких производителей.
Толерантность
Толерантность - допустимый предел или пределы изменения размеров, свойств или условий без существенного влияния на работу оборудования или процесса. Допуски указаны для обеспечения разумной свободы действий в отношении недостатков и присущей изменчивости без снижения производительности. В нанотехнологии системы имеют размеры в диапазоне нанометров. Определение допусков в наномасштабе с подходящими калибровочными стандартами для прослеживаемости затруднено для различных нанопроизводство методы. В полупроводниковой промышленности разработаны различные методы интеграции, которые используются в нанопроизводство.
Техники интеграции
- В гетероинтеграция Осуществлено прямое изготовление наносистем из составных подложек. Геометрические допуски необходимы для обеспечения функциональности сборки.
- В гибридная интеграция нанокомпоненты размещаются или собираются на подложке, из которой создаются функционирующие наносистемы. В этой технике наиболее важным параметром управления является точность позиционирования компонентов на подложке.
- В монолитная интеграция Все этапы производственного процесса объединены на единой подложке, поэтому стыковка компонентов или сборки не требуется. Преимущество этого метода состоит в том, что геометрические измерения больше не имеют первостепенного значения для достижения функциональности наносистемы или управления производственным процессом.
Классификация наноструктур
Существует множество наноструктур, таких как нанокомпозиты, нанопроволоки, нанопорошки, нанотрубки, нановолокна фуллеренов, наноклетки, нанокристаллиты, наноиглы, нано-пены, нанопласты, наночастицы, наностолбики, тонкие пленки, наностержни, наноткань, квантовые точки и т. д. Наиболее распространенный способ классификации наноструктур - по их размерам.
Классификация размеров
| Размеры | Критерии | Примеры |
|---|---|---|
| Нульмерный (0-D) | Наноструктура имеет все размеры в нанометровом диапазоне. | Наночастицы, квантовые точки, наноточек |
| Одномерный (1-D) | Один размер наноструктуры находится за пределами нанометрового диапазона. | Нанопровода, наностержни, нанотрубки |
| Двумерный (2-D) | Два размера наноструктуры выходят за пределы нанометрового диапазона. | Покрытия тонкопленочные-многослойные |
| Трехмерный (3-D) | Три размера наноструктуры выходят за пределы нанометрового диапазона. | Масса |
Классификация зернистости
Наноструктуры можно классифицировать на основе структуры и размера зерен, из которых они состоят. Это применимо в случае двумерных и трехмерных наноструктур.
Измерение площади поверхности
За нанопорошок для определения удельной поверхности ДЕРЖАТЬ ПАРИ. метод обычно используется. Падение давления азота в закрытой емкости из-за адсорбция из азот молекул на поверхность материала, вставленного в контейнер. Также предполагается, что форма частиц нанопорошка является сферической.
- D = 6 / (ρ * A)
Где «D» - эффективный диаметр, «ρ» - плотность и «A» - площадь поверхности, определенная по шкале B.E.T. метод.
Смотрите также
Рекомендации
 | Эта статья включает в себя список общих Рекомендации, но он остается в основном непроверенным, потому что ему не хватает соответствующих встроенные цитаты. (Июль 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) |
- ^ а б «Программы производственно-технической лаборатории» (PDF). НАС. Национальный институт стандартов и технологий. Март 2008. Архивировано с оригинал (PDF) на 2010-04-01. Получено 2009-07-04.
Эта статья включает текст из этого источника, который находится в всеобщее достояние. - ^ Лапшин Р.В. (2004). «Методология объектно-ориентированного сканирования для зондовой микроскопии и нанотехнологий» (PDF). Нанотехнологии. Великобритания: ВГД. 15 (9): 1135–1151. Bibcode:2004Нанот..15.1135Л. Дои:10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN 0957-4484. (Русский перевод доступен).
- ^ «Ко-наномет: нанометрология в Европе». Архивировано из оригинал на 2009-06-29.
- ^ Лапшин Р.В. (1998). «Автоматическая боковая калибровка сканеров туннельных микроскопов» (PDF). Обзор научных инструментов. США: AIP. 69 (9): 3268–3276. Bibcode:1998RScI ... 69.3268L. Дои:10.1063/1.1149091. ISSN 0034-6748.
- ^ Лапшин Р.В. (2019). «Нечувствительная к дрейфу распределенная калибровка сканера зондового микроскопа в нанометровом диапазоне: Реальный режим». Прикладная наука о поверхности. Нидерланды: Эльзевир Б. В. 470: 1122–1129. arXiv:1501.06679. Bibcode:2019ApSS..470.1122L. Дои:10.1016 / j.apsusc.2018.10.149. ISSN 0169-4332.
Эта статья включает текст из этого источника, который находится в Общие ссылки
- Белый дом, Дэвид Дж. (2011). Справочник по поверхности и нанометрологии. CRC Press. ISBN 9781420082012. OCLC 703152969.
- Шульте, Юрген (2005). Нанотехнологии: глобальные стратегии, отраслевые тенденции и приложения. Вайли. ISBN 9780470854006. OCLC 56733161.
- «Восьмой отчет нанофорума: нанометрология» (PDF). Нанофорум. Июль 2006 г.
- Алиофхазраи, Махмуд; Rouhaghdam, Алиреза Сабур (2010). "Синтез и обработка наноструктурированных пленок, а также введение и сравнение с плазменным электролизом" (PDF). Изготовление наноструктур методом плазменного электролиза. Wiley-VCH. ISBN 9783527326754. OCLC 676709104.