eng
Содержание
Содержание
Предисловие
1.
Введение
2.
Введение в физику твердого тела
2.1
Атомарная структура
2.1.1
Размерные эффекты
2.1.2
Кристаллические решетки
2.1.3
Наночастицы с гранецентрированной решеткой
2.1.4
Тетраэдрические полупроводниковые структуры
2.1.5
Колебания решетки
2.2
Структуры энергетических зон
2.2.1
Диэлектрики, полупроводники и проводники
2.2.2
Обратное пространство и решетка
2.2.3
Энергетические зоны и щели в полупроводниках
2.2.4
Эффективные массы
2.2.5
Поверхности Ферми
2.3
Локализованные частицы и квазичастицы
2.3.1
Доноры, акцепторы и глубоколежащие уровни
2.3.2
Подвижность
2.3.3
Экситоны
3
Методы измерений
3.1
Введение
3.2
Структура
3.2.1
Атомные структуры
3.2.2
Кристаллография
3.2.3
Определение размеров частиц
3.2.4
Структура поверхности
3.3
Микроскопия
3.3.1
Просвечивающая электронная микроскопия
3.3.2
Ионно-полевая микроскопия
3.3.3
Сканирующая микроскопия
3.4
Спектроскопия
3.4.1
Инфракрасная и рамановская спектроскопия
3.4.2
Фотоэмиссионная и рентгеновская спектроскопия
3.4.3
Магнитный резонанс
4
Свойства индивидуальных наночастиц
4.1
Введение
4.2
Металлические нанокластеры
4.2.1
Магические числа
4.2.2
Теоретическое моделирование наночастиц
4.2.3
Геометрическая структура
4.2.4
Электронная структура
4.2.5
Реакционная способность
4.2.6
Флуктуации
4.2.7
Магнитные кластеры
4.2.8
От макро- к нано-
4.3
Полупроводниковые наночастицы
4.3.1
Оптические свойства
4.3.2
Фотофрагментация
4.3.3
Кулоновский взрыв
4.4
Кластеры атомов редких газов и молекулярные кластеры
4.4.1
Кластеры атомов инертных газов
4.4.2
Сверхтекучие кластеры
4.4.3
Молекулярные кластеры
4.5
Методы синтеза
4.5.1
Высокочастотный индукционный нагрев
4.5.2
Химические методы
4.5.3
Термолиз
4.5.4
Импульсные лазерные методы
4.6
Заключение
5
Углеродные наноструктуры
5.1
Введение
5.2
Углеродные молекулы
5.2.1
Природа углеродной связи
5.2.2
Новые углеродные структуры
5.3
Углеродные кластеры
5.3.1
Маленькие углеродные кластеры
5.3.2
Открытие фуллерена C_60
5.3.3
Структура фуллерена C_60 и его кристаллов
5.3.4
C60, легированный щелочными металлами
5.3.5
Сверхпроводимость в C_60
5.3.6
Фуллерены с числом атомов, большим или меньшим 60
5.3.7
Неуглеродные шарообразные молекулы
5.4
Углеродные нанотрубки
5.4.1
Методы получения
5.4.2
Структура
5.4.3
Электрические свойства
5.4.4
Колебательные свойства
5.4.5
Механические свойства
5.5
Применение углеродных нанотрубок
5.5.1
Полевая эмиссия и экранирование
5.5.2
Компьютеры
5.5.3
Топливные элементы
5.5.4
Химические сенсоры
5.5.5
Катализаторы
5.5.6
Механическое упрочнение
6
Объемные наноструктурированные материалы
6.1
Разупорядоченные твердотельные структуры
6.1.1
Методы синтеза
6.1.2
Механизмы разрушения традиционных поликристаллических материалов
6.1.3
Механические свойства
6.1.4
Наноструктурированные многослойные материалы
6.1.5
Электрические свойства
6.1.6
Другие свойства
6.1.7
Металлические нанокластеры в оптических стеклах
6.1.8
Пористый кремний
6.2
Наноструктурированные кристаллы
6.2.1
Природные нанокристаллы
6.2.2
Теоретическое предсказание кристаллических решеток из нанокластеров
6.2.3
Упорядоченные структуры наночастиц в цеолитах
6.2.4
Кристаллы из металлических наночастиц
6.2.5
Упорядоченные решетки наночастиц в коллоидных суспензиях
6.2.6
Наноструктурированные кристаллы для фотоники
7
Ферромагнетизм в наноструктурах
7.1
Основы ферромагнетизма
7.2
Влияние наноструктурирования объемного материала на магнитные свойства
7.3
Динамика наномагнитов
7.4
Нанопоры в магнитных частицах
7.5
Наноуглеродные ферромагнетики
7.6
Гигантское и колоссальное магнитосопротивление
7.7
Ферромагнитные жидкости
8
Оптическая и колебательная спектроскопия
8.1
Введение
8.2
Инфракрасный диапазон
8.2.1
Спектроскопия полупроводников, экситоны
8.2.2
Инфракрасная спектроскопия поверхности
8.2.3
Рамановская спектроскопия
8.2.4
Бриллюэновская спектроскопия
8.3
Люминесценция
8.3.1
Фотолюминесценция
8.3.2
Поверхностные состояния
8.3.3
Термолюминесценция
8.4
Наноструктуры в цеолитовых ячейках
9
Квантовые ямы, проволоки и точки
9.1
Введение
9.2
Приготовление квантовых наноструктур
9.3
Эффекты, обусловленные размерами и размерностью нанообъектов
9.3.1
Размерные эффекты
9.3.2
Размерность объекта и электроны проводимости
9.3.3
Ферми-газ и плотность состояний
9.3.4
Потенциальные ямы
9.3.5
Частичная локализация
9.3.6
Свойства, зависящие от плотности состояний
9.4
Экситоны
9.5
Одноэлектронное туннелирование
9.6
Приложения
9.6.1
Инфракрасные детекторы
9.6.2
Лазеры на квантовых точках
9.7
Сверхпроводимость
10
Самосборка и катализ
10.1
Самосборка
10.1.1
Процесс самосборки
10.1.2
Полупроводниковые островковые структуры
10.1.3
Монослои
10.2
Катализ
10.2.1
Природа катализа
10.2.2
Площадь поверхности наночастиц
10.2.3
Пористые материалы
10.2.4
Столбчатые глины
10.2.5
Коллоиды
11
Органические соединения и полимеры
11.1
Введение
11.2
Образование и описание полимеров
11.2.1
Полимеризация
11.2.2
Размеры полимеров
11.3
Нанокристаллы
11.3.1
Ароматические соединения
11.3.2
Полидиацетиленовые соединения
11.4
Полимеры
11.4.1
Проводящие полимеры
11.4.2
Блок-сополимеры
11.5
Супрамолекулярные структуры
11.5.1
Структуры с переходными металлами
11.5.2
Дендритоподобные молекулы
11.5.3
Супрамолекулярные дендримеры
11.5.4
Мицеллы
12
Биологические материалы
12.1
Введение
12.2
Биологические строительные блоки
12.2.1
Размеры строительных блоков и наноструктуры
12.2.2
Полипептидные нанопроволоки и белковые наночастицы
12.3
Нуклеиновые кислоты
12.3.1
ДНК как сдублированная нанопроволока
12.3.2
Генетический код и синтез белка
12.4
Биологические наноструктуры
12.4.1
Примеры белков
12.4.2
Мицеллы и везикулы
12.4.3
Многослойные пленки
13
Наномашины и наноприборы
13.1
Микроэлектромеханические системы
13.2
Наноэлектромеханические системы
13.2.1
Изготовление
13.2.2
Наномашины и наноприборы
13.3
Молекулярные и супрамолекулярные триггеры
Приложение A
Формулы для определения размерности объекта
A.1 Введение
A.2 Делокализация
A.3 Частичная локализация
Приложение B
Таблицы свойств полупроводниковых материалов
Предметный указатель
Дополнение
Метрологическиеи и стандартизованные основы нанотехнологий
П.А. Тодуа. Научно-исследовательский центр по изучению
свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ), Москва;
Московский физико-технический институт (МФТИ), Москва
e-mail: fgupnicpv@mail.ru
История развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы,
методов и средств измерений. Нанотехнологии поставили ряд новых специфи-
ческих задач, обусловленных малыми размерами элементов и структур, с ко-
торыми приходится иметь дело в данной области. Здесь, как нигде, актуален
тезис: «Если нельзя правильно измерить, то невозможно создать». Все страны,
вступившие в нанотехнологический прорыв, прекрасно представляют необхо-
димость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся об-
ласти знания, поскольку именно уровень точности и достоверности измерений
способен либо стимулировать развитие соответствующих отраслей экономики,
либо служить сдерживающим фактором. Особо это подчеркивается тем обстоя-
тельством, что в нанотехнологиях приборно-аналитическая и технологическая
составляющие работают на пределе своих возможностей, что увеличивает веро-
ятность ошибки, тем более связанной с человеческим фактором.
Одна из первоочередных задач стандартизации в нанотехнологиях —
стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов
и структур нанотехнологий, подлежащих измерениям. При межотраслевом
и междисциплинарном характере нанотехнологий, различной терминоло-
гии и разных исследовательских и измерительных приемах и методах — это
непростая, последовательно решаемая задача, несущая в себе объединяющее
начало. К ней вплотную примыкает другая задача — необходимость стан-
дартизации терминов и определений в нанотехнологиях, направленная на
решение проблем общения и взаимопонимания различных групп исследова-
телей не только внутри одной отдельно взятой страны, но и в рамках междис-
циплинарного обмена информацией между странами. Отсюда закономерное
320 Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий
следствие — необходимость аттестованных и стандартизованных методик
выполнения измерений, методик калибровки и поверки средств измерений,
применяемых в нанотехнологиях, и многое другое, что определяется потреб-
ностями развития инфраструктуры наноиндустрии.
Особый аспект стандартизации — решение задач обеспечения здоровья
и безопасности операторов технологических процессов и лиц, взаимодействую-
щих с продукцией нанотехнологий на всех этапах ее производства, испытаний,
исследований и применений, а также экологической безопасности окружаю-
щей среды.
Логически следует, что «наибольший статистический вес» приходит-
ся на метрологию, поскольку именно она является количественным бази-
сом стандартизации и сертификации. Специфика нанотехнологий привела
к развитию нового направления в метрологии — нанометрологии, с которой
связаны все теоретические и практические аспекты метрологического обе-
спечения единства измерений в нанотехнологиях. Из самого определения
нанотехнологии, оперирующей с объектами нанометровой протяженности,
естественным образом следует первоочередная задача измерений геометри-
ческих параметров объекта, что, в свою очередь, обуславливает необходи-
мость обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазо-
не. Но этим обстоятельством роль нанометрологии линейных измерений не
исчерпывается. Она присутствует в неявном виде в подавляющем большин-
стве методов и средств обеспечения единства измерений физико-химических
параметров и свойств объектов нанотехнологий, таких как механические,
оптические, электрические, магнитные, акустические и т. д. Часто необхо-
димо осуществлять прецизионное пространственное позиционирование
зонда измерительного устройства в место требуемого съема измерительной
информации. При этом диапазон линейного сканирования по каждой коор-
динате может простираться от единиц нанометров до сотен и более микро-
метров, а требуемая точность выставления координаты составлять десятые
доли нанометра.
Почему в нанометрологии столь большое внимание уделяют проблеме реа-
лизации линейной шкалы в нанометровом и прилегающем к нему диапазонах?
Во-первых, потому что решение первоочередной задачи метрологии в нанотех-
нологиях — обеспечение единства измерений геометрических параметров на-
нообъекта — опирается на метрологию линейных измерений. Во-вторых, как
указано выше, измерения механических, электрических, магнитных, оптиче-
ских и многих других параметров и свойств объектов нанотехнологии связаны
с необходимостью позиционирования зонда измерительного устройства в за-
данное место с наивысшей точностью [1, 2].
Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий 321
Обеспечение единства измерений физико-химических параметров
и свойств объекта измерения требует привязки соответствующего средства
измерений к эталону, воспроизводящему единицу данной физической вели-
чины (например, проводимости — к эталонному сопротивлению), а в нано-
технологиях в большинстве случаев — еще и обязательной привязки к базис-
ному эталону единицы длины (рис. Д.1) для «точности попадания в цель».
Этим дуализмом не ограничивается уникальность базисного эталона. Если
обратить внимание на параметры, то видно, что диапазон измерений длины
от единиц нанометров до сотен и более микрометров перекрывает более пяти
порядков значений измеряемой величины при точности измерений в десятые-
единицы нанометра во всем диапазоне.
Спектр объектов нанотехнологий и собственно наноиндустрии чрезвы-
чайно широк, он простирается от ультрадисперсных сред до наноструктуриро-
ванных многослойных материалов и кристаллов, включая квантоворазмерные
структуры с размерностями локализации: один — так называемые квантовые
ямы (сверхтонкие слои), два — квантовые проволоки или нити, три — кванто-
вые точки. Проявляющиеся особенности физических эффектов и протекающих
при этом процессов, в том числе оптических, люминесцентных, электрических,
магнитных, механических и многих других, определяются характерным разме-
ром, причем в одном и том же материале различные эффекты, связанные с раз-
мером, проявляются по-разному, например, особенность оптических свойств
материала в ультрадисперсном виде может проявляться при одних размерах на-
ночастиц, а теплофизических — при других.
Большинство методов исследований и измерений свойств нанообъек-
тов — просвечивающая и растровая электронная микроскопии, сканирую-
щая зондовая микроскопия, ионнополевая микроскопия, фотоэмиссионная
и рентгеновская спектрометрии и рентгеновская дифрактометрия и другие —
широко применяющиеся в технике измерений свойств материалов и объек-
тов наноиндустрии, требуют калибровки средств измерений по стандартным
образцам состава, структуры, свойств с известными размерными (то есть,
геометрическими) характеристиками. Например, один из известных спосо-
бов определения размеров ультрадисперсных частиц заключается в изучении
рассеяния света на них. Рассеяние зависит от соотношения размеров частиц,
длины волны падающего излучения и поляризации. При определении разме-
ров частиц, как правило, используется лазерное излучение, но для калибров-
ки такого средства измерений необходим набор ультрадисперсных частиц
с дискретным рядом точно заданных размеров.
При доведении широкозонных полупроводниковых соединений группы
А2В6 до ультрадисперсного состояния происходит «голубое смещение» полосы
люминесценции, по которому можно судить о размерах ультрадисперсных ча-
стиц люминофора. Но в каждом конкретном случае используемого полупрово-
дникового материала для калибровки необходим набор стандартных образцов
из того же материала с целым рядом размеров.
При контроле технологических процессов создания многослойных тон-
копленочных структур, в том числе и многослойных гетероструктур, необхо-
димо привлечение рентгенодиагностических методов контроля скрытых сло-
ев и, соответственно, наличие многослойных стандартных образцов состава
и структуры для калибровки соответствующих средств измерений.
Фундаментальные исследования, связанные с прямыми измерениями
физико-химических параметров веществ и материалов нанотехнологии, эле-
ментов и устройств нанотехники, требуют понимания закономерностей вза-
имодействия зонда измерительного средства с объектом измерения. Особую
важность приобретают вопросы метрологии и стандартизации таких измере-
ний, метрологического обеспечения, передачи размера единицы физической
величины в нанометровый диапазон [3], характеризующийся специфически-
ми особенностями.
Первостепенной задачей опережающего развития нанометрологии считают
необходимость реализации наношкалы в нанометровом и прилегающем к нему
диапазонах. Именно этой первостепеннейшей задаче нанометрологии посвя-
щаются многие конференции и многочисленные публикации. Здесь нельзя не
отметить существенный вклад России в решение этой фундаментальной изме-
Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий 323
рительной проблемы. Достижение предельных возможностей при измерениях
длины в нанометровом диапазоне связано с использованием высокоразрешаю-
щих методов растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии
в сочетании с лазерной интерферометрией и рентгеновской дифрактометрией
при сохранении абсолютной привязки к первичному эталону метра.
В результате длительных исследований в России концептуально решена за-
дача создания основ метрологического обеспечения измерений длины в диа-
пазоне 1—1000 нм. При этом разработаны: методология обеспечения единства
измерений в диапазоне длин 1—1000 нм, основанная на принципах зондовой
микроскопии и лазерной интерферометрии и рентгеновской дифрактометрии;
эталонный комплекс средств измерений, обеспечивающий воспроизведение
и передачу размера единицы длины в диапазоне 1—1000 нм вещественным ме-
рам длины с погрешностью 0,5 нм; поколение мер малой длины для калибровки
средств измерений в диапазоне 1—1000 нм, в том числе меры нанорельефа по-
верхности; методология и алгоритмы измерения параметров профиля элемен-
тов микро- и наноструктур и пакет компьютерных программ для автоматиза-
ции таких измерений.
Важнейшим этапом в решении задач метрологического обеспечения ли-
нейных измерений в нанометровом диапазоне явилось создание вещественных
носителей размера — мер с программируемым нанорельефом поверхности, обе-
спечивающих калибровку средств измерений с наивысшей точностью (рис. Д.2,
Д.3, Д.4).
Именно такие трехмерные меры малой длины, или эталоны сравнения, —
материальные носители размера, позволяющие осуществлять комплексную
калибровку и контроль основных параметров растровых электронных и ска-
нирующих зондовых микроскопов, предназначены для перевода этих сложных
устройств из разряда устройств для визуализации исследуемого объекта в раз-
ряд средств измерений, т. е. в разряд приборов для измерений линейных раз-
меров объектов исследования, обеспечивающих привязку измеряемых величин
в нанометровой области к первичному эталону единицы длины — метру [4—9].
Аттестация эталонов сравнения осуществляется с использованием эталон-
ной трехмерной интерферометрической системой измерений наноперемеще-
ний.Аттестуются шаг меры и размеры верхних и нижних оснований выступов
и канавок (ширина линии), а также высота (глубина) рельефа. При одном и том
же шаге структуры возможно изготовление эталонов сравнения с шириной ли-
ний в диапазоне 10—1500 нм и высотой рельефа 100—1500 нм.
Мера позволяет по одному ее изображению в растровом электронном ми-
кроскопе (даже по одному сигналу), что очень важно для контроля технологи-
ческих процессов, выполнить калибровку микроскопа (рис. Д.5), определить
увеличение микроскопа, линейность его шкал и диаметр электронного зонда
[10—15]. Слева вверху на рис. Д.5 приведены характерные параметры эталонной
меры, в центральной части — параметры видеосигнала, в правой части — реаль-
ное РЭМ-изображение.
Кроме того, при необходимости подтверждения правильности измерений
можно контролировать параметры растрового электронного микроскопа непо-
средственно в процессе проведения измерений размеров исследуемого объекта,
что является дополнительной гарантией высокого качества измерений. Мера
позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать на осно-
ве растровых электронных микроскопов автоматизированные измерительные
комплексы. Ряд подобных комплексов уже существует. В частности, в НИЦПВ
создан автоматизированный комплекс для линейных измерений в области раз-
меров от 1 нм до 100 мкм на основе растрового электронного микроскопа JSM-
6460LV.
Аналогичным образом по заданным параметрам меры проводятся кали-
бровка и контроль [16—21] таких характеристик атомно-силовых микроскопов,
как цена деления и линейность шкал по всем трем координатам, ортогональ-
ность систем сканирования, радиус острия зонда (кантилевера), настройка
параметров и выход микроскопа в рабочий режим (рис. Д.6). На рис. Д.6 слева
вверху характерные параметры эталонной меры и ее АСМ-изображение (спра-
ва). Системы калибровки и аттестации атомно-силовых микроскопов успешно
внедряются на предприятиях, специализирующихся на создании оборудования
для нанотехнологий.
Развитие нанотехнологий ужесточает требования к измерительным систе-
мам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными
расстояниями. Все это требует серьезного отношения к вопросу обеспечения
единства линейных измерений в нанометровом диапазоне.
Растровый электронный и сканирующий зондовый микроскопы только
тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры будут соот-
ветствующим образом аттестовываться, калиброваться и контролироваться,
Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий 327
причем последнее непосредственно в процессе измерений. Трехмерные меры
или эталоны сравнения (материальные носители размера) — свое образный
мост между объектом измерений и эталоном метра — являются идеальным
средством для осуществления таких операций. Непреложно одно: культура
измерений требует, чтобы любой растровый электронный или сканирующий
зондовый микроскоп, независимо от того, где он находится — в научной или
промышленной лаборатории, учебном заведении или участвует в технологиче-
ском процессе, — должен быть укомплектован мерами, обеспечивающими ка-
либровку и контроль параметров этого сложного устройства. Только тогда из-
мерения, производимые на нем, могут претендовать на достоверность.
Кроме того, использование методов и средств калибровки и аттестации рас-
тровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов производителями
соответствующих приборов позволит им создавать новые приборы с лучшими
характеристиками, которые, в свою очередь, позволят продвинуться дальше на
пути развития нанотехнологий.
Для обеспечения нормативной базы нанометрологии, разработаны и введе-
ны в действие семь российских стандартов [22]:
• ГОСТ Р 8.628—2007 «Государственная система обеспечения единства из-
мерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристалличе-
ского кремния. Требования к геометрическим формам, линейным разме-
рам и выбору материала для изготовления»;
• ГОСТ Р 8.629—2007 «Государственная система обеспечения единства из-
мерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным
профилем элементов. Методика поверки»;
• ГОСТ Р 8.630—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измеритель-
ные. Методика поверки»;
• ГОСТ Р 8.631—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика по-
верки»;
• ГОСТ Р 8.635—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика
калибровки»;
• ГОСТ Р 8.636—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки»;
• ГОСТ Р 8.644—2008 «Государственная система обеспечения единства из-
мерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным
профилем элементов. Методика калибровки».
Для решения научно-технической проблемы обеспечения единства изме-
рений в нанотехнологиях необходимо осуществить ряд научно-методических,
328 Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий
технических и организационных мероприятий. В первую очередь, это созда-
ние новой структурной схемы передачи размера единиц физических вели-
чин от первичных эталонов рабочим средствам измерений, исключающей
многоступенчатость передачи (см. рис. Д.1). В этот комплекс мероприятий
входят также: фундаментальные исследования механизмов взаимодействия
зондов измерительных систем с объектом измерения; разработка новых ал-
горитмов измерений и соответствующего им математического обеспечения,
учитывающего влияние взаимодействия рабочего средства измерений с из-
меряемым объектом; создание новых мер — материальных носителей разме-
ра, обладающих свойствами, аналогичными свойствам вторичного эталона
и измеряемого объекта; разработка и создание стандартных образцов соста-
ва, структуры и рельефа поверхности и стандартизованных методик изме-
рений в нанометрии, обеспечивающих прослеживаемость передачи размера
единицы физической величины от эталона рабочим средствам измерений
в нанометровый диапазон без существенной потери точности для аттеста-
ции, калибровки и поверки средств измерений.
Достижение данной цели вполне реально, поскольку фундамент решения
указанной проблемы основан на концепции базисного эталона (см. рис. Д.1),
в котором реализована нано шкала. Этот эталон — основа для передачи единиц
физических величин в нанометровый диапазон. Дело за немногим — необхо-
дима гармонизированная система стандартных образцов состава, структуры
и свойств, служащих потребностям нанотехнологий. Все это создает предпо-
сылки и закладывает основы ускоренного развития высоких технологий в Рос-
сии, и особенно главной из них — нанотехнологии.
ПО ВОПРОСАМ ПРИОБРЕТЕНИЯ ЭТАЛОНОВ СРАВНЕНИЯ — МЕТРО-
ЛОГИЧЕСКИ АТТЕСТОВАННЫХ МЕР ДЛЯ КАЛИБРОВКИ РАСТРОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ И АТОМНО-СИЛОВЫХ МИКРОСКОПОВ В НАНОМЕТРО-
ВОМ ДИАПАЗОНЕ ОБРАЩАТЬСЯ:
119421, РОССИЯ, МОСКВА, УЛ. НОВАТОРОВ,
ДОМ 40, КОРП. 1, НИЦПВ
ТЕЛ.: (+7) 495-935-9777
ТЕЛ/ФАКС: (+7) 495-935-5911
E-mail: fgupnicpv@mail.ru
www.nicpv.ru
[1]. M. T. Postek Nanometer — Scale Metrology // Proceedings of SPIE.2002,
vol. 4608, p. 84—96.
[2]. П. А. Тодуа. Метрология в нанотехнологии // Российские нанотехнологии.
2007, том 2, № 1—2, с. 61—69.
[3]. П. А. Тодуа, В. А. Быков, Ч. П. Волк, Е. С. Горнев, Ж. Желкобаев, Л. М. Зы-
кин, А. Б. Ишанов, В. В. Календин, Ю. А. Новиков, Ю. В. Озерин,
Ю. И. Плотников, А. М. Прохоров, А. В. Раков, С. А. Саунин, В. Н. Черня-
ков. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом
и нанометровом диапазоне и их внедрение в микроэлектронику и нано-
технологию // Микросистемная техника, 2004, № 1, с. 38—44; № 2, с. 24—
39; № 3, с. 25—32.
[4]. Yu. A. Novikov, A. V. Rakov, P. A. Todua. Metrology in linear measurements
of nanoobject elements // Proceedings of SPIE, 2006, vol. 6260, p. 626013-1—
626013-8.
[5]. Yu. A. Novikov, V. P. Gavrilenko, Yu. V. Ozerin, A. V. Rakov, P. A. Todua. Silicon
tect object of linewidth of nanometer range for SEM and AFM // Proceedings of
SPIE, 2007, vol. 6648, p. 66480R-1—66480R-11.
[6]. Yu. A. Novikov, V. P. Gavrilenko, A. V. Rakov, P. A. Todua. Test objects with rightangled
and trapezoidal profi les of the relief elements // Proceedings of SPIE, 2008,
vol. 7042, p. 704208-1—704208-12.
[7]. P. A. Todua, V. P. Gavrilenko, Yu. A. Novikov, A. V. Rakov. Check of the quality of
fabrication of test objects with a trapezoidal profi le // Proceedings of SPIE, 2008,
vol. 7042, p. 704209-1—704209-8.
[8]. М. А. Данилова, В. Б. Митюхляев, Ю. А. Новиков, Ю. В. Озерин, А. В. Ра-
ков, П. А. Тодуа. Тест-объект с шириной линии менее 10 нм для растровой
электронной микроскопии // Измерительная техника, 2008, № 8, с. 20—
23.
[9]. М. А. Данилова, В. Б. Митюхляев, Ю. А. Новиков, Ю. В. Озерин, А. В. Ра-
ков, П. А. Тодуа. Тест-объект с тремя аттестованными размерами ширины
линии для растровой электронной микроскопии // Измерительная техни-
ка, 2008, № 9, с. 49—51.
[10]. Yu. A. Novikov, A. V. Rakov, P. A. Todua. Linear sizes measurements of relief
elements with the width less 100 nm on a SEM // Proceedings of SPIE, 2006,
vol. 6260, p. 626015-1—626015-6.
[11]. V. P. Gavrilenko, M. N. Filippov, Yu. A. Novikov, A. V. Rakov, P. A. Todua.
Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using
a scanning electron microscopy // Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648,
p. 66480T-1—66480T-12
Метрологическиеи и стандартизованные основы нанотехнологий
П.А. Тодуа. Научно-исследовательский центр по изучению
свойств поверхности и вакуума (НИЦПВ), Москва;
Московский физико-технический институт (МФТИ), Москва
e-mail: fgupnicpv@mail.ru
История развития науки и техники неразрывно связана с развитием системы,
методов и средств измерений. Нанотехнологии поставили ряд новых специфи-
ческих задач, обусловленных малыми размерами элементов и структур, с ко-
торыми приходится иметь дело в данной области. Здесь, как нигде, актуален
тезис: «Если нельзя правильно измерить, то невозможно создать». Все страны,
вступившие в нанотехнологический прорыв, прекрасно представляют необхо-
димость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся об-
ласти знания, поскольку именно уровень точности и достоверности измерений
способен либо стимулировать развитие соответствующих отраслей экономики,
либо служить сдерживающим фактором. Особо это подчеркивается тем обстоя-
тельством, что в нанотехнологиях приборно-аналитическая и технологическая
составляющие работают на пределе своих возможностей, что увеличивает веро-
ятность ошибки, тем более связанной с человеческим фактором.
Одна из первоочередных задач стандартизации в нанотехнологиях —
стандартизация параметров и свойств материалов, объектов, элементов
и структур нанотехнологий, подлежащих измерениям. При межотраслевом
и междисциплинарном характере нанотехнологий, различной терминоло-
гии и разных исследовательских и измерительных приемах и методах — это
непростая, последовательно решаемая задача, несущая в себе объединяющее
начало. К ней вплотную примыкает другая задача — необходимость стан-
дартизации терминов и определений в нанотехнологиях, направленная на
решение проблем общения и взаимопонимания различных групп исследова-
телей не только внутри одной отдельно взятой страны, но и в рамках междис-
циплинарного обмена информацией между странами. Отсюда закономерное
320 Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий
следствие — необходимость аттестованных и стандартизованных методик
выполнения измерений, методик калибровки и поверки средств измерений,
применяемых в нанотехнологиях, и многое другое, что определяется потреб-
ностями развития инфраструктуры наноиндустрии.
Особый аспект стандартизации — решение задач обеспечения здоровья
и безопасности операторов технологических процессов и лиц, взаимодействую-
щих с продукцией нанотехнологий на всех этапах ее производства, испытаний,
исследований и применений, а также экологической безопасности окружаю-
щей среды.
Логически следует, что «наибольший статистический вес» приходит-
ся на метрологию, поскольку именно она является количественным бази-
сом стандартизации и сертификации. Специфика нанотехнологий привела
к развитию нового направления в метрологии — нанометрологии, с которой
связаны все теоретические и практические аспекты метрологического обе-
спечения единства измерений в нанотехнологиях. Из самого определения
нанотехнологии, оперирующей с объектами нанометровой протяженности,
естественным образом следует первоочередная задача измерений геометри-
ческих параметров объекта, что, в свою очередь, обуславливает необходи-
мость обеспечения единства линейных измерений в нанометровом диапазо-
не. Но этим обстоятельством роль нанометрологии линейных измерений не
исчерпывается. Она присутствует в неявном виде в подавляющем большин-
стве методов и средств обеспечения единства измерений физико-химических
параметров и свойств объектов нанотехнологий, таких как механические,
оптические, электрические, магнитные, акустические и т. д. Часто необхо-
димо осуществлять прецизионное пространственное позиционирование
зонда измерительного устройства в место требуемого съема измерительной
информации. При этом диапазон линейного сканирования по каждой коор-
динате может простираться от единиц нанометров до сотен и более микро-
метров, а требуемая точность выставления координаты составлять десятые
доли нанометра.
Почему в нанометрологии столь большое внимание уделяют проблеме реа-
лизации линейной шкалы в нанометровом и прилегающем к нему диапазонах?
Во-первых, потому что решение первоочередной задачи метрологии в нанотех-
нологиях — обеспечение единства измерений геометрических параметров на-
нообъекта — опирается на метрологию линейных измерений. Во-вторых, как
указано выше, измерения механических, электрических, магнитных, оптиче-
ских и многих других параметров и свойств объектов нанотехнологии связаны
с необходимостью позиционирования зонда измерительного устройства в за-
данное место с наивысшей точностью [1, 2].
Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий 321
Обеспечение единства измерений физико-химических параметров
и свойств объекта измерения требует привязки соответствующего средства
измерений к эталону, воспроизводящему единицу данной физической вели-
чины (например, проводимости — к эталонному сопротивлению), а в нано-
технологиях в большинстве случаев — еще и обязательной привязки к базис-
ному эталону единицы длины (рис. Д.1) для «точности попадания в цель».
Этим дуализмом не ограничивается уникальность базисного эталона. Если
обратить внимание на параметры, то видно, что диапазон измерений длины
от единиц нанометров до сотен и более микрометров перекрывает более пяти
порядков значений измеряемой величины при точности измерений в десятые-
единицы нанометра во всем диапазоне.
Спектр объектов нанотехнологий и собственно наноиндустрии чрезвы-
чайно широк, он простирается от ультрадисперсных сред до наноструктуриро-
ванных многослойных материалов и кристаллов, включая квантоворазмерные
структуры с размерностями локализации: один — так называемые квантовые
ямы (сверхтонкие слои), два — квантовые проволоки или нити, три — кванто-
вые точки. Проявляющиеся особенности физических эффектов и протекающих
при этом процессов, в том числе оптических, люминесцентных, электрических,
магнитных, механических и многих других, определяются характерным разме-
ром, причем в одном и том же материале различные эффекты, связанные с раз-
мером, проявляются по-разному, например, особенность оптических свойств
материала в ультрадисперсном виде может проявляться при одних размерах на-
ночастиц, а теплофизических — при других.
Большинство методов исследований и измерений свойств нанообъек-
тов — просвечивающая и растровая электронная микроскопии, сканирую-
щая зондовая микроскопия, ионнополевая микроскопия, фотоэмиссионная
и рентгеновская спектрометрии и рентгеновская дифрактометрия и другие —
широко применяющиеся в технике измерений свойств материалов и объек-
тов наноиндустрии, требуют калибровки средств измерений по стандартным
образцам состава, структуры, свойств с известными размерными (то есть,
геометрическими) характеристиками. Например, один из известных спосо-
бов определения размеров ультрадисперсных частиц заключается в изучении
рассеяния света на них. Рассеяние зависит от соотношения размеров частиц,
длины волны падающего излучения и поляризации. При определении разме-
ров частиц, как правило, используется лазерное излучение, но для калибров-
ки такого средства измерений необходим набор ультрадисперсных частиц
с дискретным рядом точно заданных размеров.
При доведении широкозонных полупроводниковых соединений группы
А2В6 до ультрадисперсного состояния происходит «голубое смещение» полосы
люминесценции, по которому можно судить о размерах ультрадисперсных ча-
стиц люминофора. Но в каждом конкретном случае используемого полупрово-
дникового материала для калибровки необходим набор стандартных образцов
из того же материала с целым рядом размеров.
При контроле технологических процессов создания многослойных тон-
копленочных структур, в том числе и многослойных гетероструктур, необхо-
димо привлечение рентгенодиагностических методов контроля скрытых сло-
ев и, соответственно, наличие многослойных стандартных образцов состава
и структуры для калибровки соответствующих средств измерений.
Фундаментальные исследования, связанные с прямыми измерениями
физико-химических параметров веществ и материалов нанотехнологии, эле-
ментов и устройств нанотехники, требуют понимания закономерностей вза-
имодействия зонда измерительного средства с объектом измерения. Особую
важность приобретают вопросы метрологии и стандартизации таких измере-
ний, метрологического обеспечения, передачи размера единицы физической
величины в нанометровый диапазон [3], характеризующийся специфически-
ми особенностями.
Первостепенной задачей опережающего развития нанометрологии считают
необходимость реализации наношкалы в нанометровом и прилегающем к нему
диапазонах. Именно этой первостепеннейшей задаче нанометрологии посвя-
щаются многие конференции и многочисленные публикации. Здесь нельзя не
отметить существенный вклад России в решение этой фундаментальной изме-
Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий 323
рительной проблемы. Достижение предельных возможностей при измерениях
длины в нанометровом диапазоне связано с использованием высокоразрешаю-
щих методов растровой электронной и сканирующей зондовой микроскопии
в сочетании с лазерной интерферометрией и рентгеновской дифрактометрией
при сохранении абсолютной привязки к первичному эталону метра.
В результате длительных исследований в России концептуально решена за-
дача создания основ метрологического обеспечения измерений длины в диа-
пазоне 1—1000 нм. При этом разработаны: методология обеспечения единства
измерений в диапазоне длин 1—1000 нм, основанная на принципах зондовой
микроскопии и лазерной интерферометрии и рентгеновской дифрактометрии;
эталонный комплекс средств измерений, обеспечивающий воспроизведение
и передачу размера единицы длины в диапазоне 1—1000 нм вещественным ме-
рам длины с погрешностью 0,5 нм; поколение мер малой длины для калибровки
средств измерений в диапазоне 1—1000 нм, в том числе меры нанорельефа по-
верхности; методология и алгоритмы измерения параметров профиля элемен-
тов микро- и наноструктур и пакет компьютерных программ для автоматиза-
ции таких измерений.
Важнейшим этапом в решении задач метрологического обеспечения ли-
нейных измерений в нанометровом диапазоне явилось создание вещественных
носителей размера — мер с программируемым нанорельефом поверхности, обе-
спечивающих калибровку средств измерений с наивысшей точностью (рис. Д.2,
Д.3, Д.4).
Именно такие трехмерные меры малой длины, или эталоны сравнения, —
материальные носители размера, позволяющие осуществлять комплексную
калибровку и контроль основных параметров растровых электронных и ска-
нирующих зондовых микроскопов, предназначены для перевода этих сложных
устройств из разряда устройств для визуализации исследуемого объекта в раз-
ряд средств измерений, т. е. в разряд приборов для измерений линейных раз-
меров объектов исследования, обеспечивающих привязку измеряемых величин
в нанометровой области к первичному эталону единицы длины — метру [4—9].
Аттестация эталонов сравнения осуществляется с использованием эталон-
ной трехмерной интерферометрической системой измерений наноперемеще-
ний.Аттестуются шаг меры и размеры верхних и нижних оснований выступов
и канавок (ширина линии), а также высота (глубина) рельефа. При одном и том
же шаге структуры возможно изготовление эталонов сравнения с шириной ли-
ний в диапазоне 10—1500 нм и высотой рельефа 100—1500 нм.
Мера позволяет по одному ее изображению в растровом электронном ми-
кроскопе (даже по одному сигналу), что очень важно для контроля технологи-
ческих процессов, выполнить калибровку микроскопа (рис. Д.5), определить
увеличение микроскопа, линейность его шкал и диаметр электронного зонда
[10—15]. Слева вверху на рис. Д.5 приведены характерные параметры эталонной
меры, в центральной части — параметры видеосигнала, в правой части — реаль-
ное РЭМ-изображение.
Кроме того, при необходимости подтверждения правильности измерений
можно контролировать параметры растрового электронного микроскопа непо-
средственно в процессе проведения измерений размеров исследуемого объекта,
что является дополнительной гарантией высокого качества измерений. Мера
позволяет легко автоматизировать линейные измерения и создавать на осно-
ве растровых электронных микроскопов автоматизированные измерительные
комплексы. Ряд подобных комплексов уже существует. В частности, в НИЦПВ
создан автоматизированный комплекс для линейных измерений в области раз-
меров от 1 нм до 100 мкм на основе растрового электронного микроскопа JSM-
6460LV.
Аналогичным образом по заданным параметрам меры проводятся кали-
бровка и контроль [16—21] таких характеристик атомно-силовых микроскопов,
как цена деления и линейность шкал по всем трем координатам, ортогональ-
ность систем сканирования, радиус острия зонда (кантилевера), настройка
параметров и выход микроскопа в рабочий режим (рис. Д.6). На рис. Д.6 слева
вверху характерные параметры эталонной меры и ее АСМ-изображение (спра-
ва). Системы калибровки и аттестации атомно-силовых микроскопов успешно
внедряются на предприятиях, специализирующихся на создании оборудования
для нанотехнологий.
Развитие нанотехнологий ужесточает требования к измерительным систе-
мам, погрешности измерений которых должны быть сравнимы с межатомными
расстояниями. Все это требует серьезного отношения к вопросу обеспечения
единства линейных измерений в нанометровом диапазоне.
Растровый электронный и сканирующий зондовый микроскопы только
тогда могут считаться средствами измерений, когда их параметры будут соот-
ветствующим образом аттестовываться, калиброваться и контролироваться,
Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий 327
причем последнее непосредственно в процессе измерений. Трехмерные меры
или эталоны сравнения (материальные носители размера) — свое образный
мост между объектом измерений и эталоном метра — являются идеальным
средством для осуществления таких операций. Непреложно одно: культура
измерений требует, чтобы любой растровый электронный или сканирующий
зондовый микроскоп, независимо от того, где он находится — в научной или
промышленной лаборатории, учебном заведении или участвует в технологиче-
ском процессе, — должен быть укомплектован мерами, обеспечивающими ка-
либровку и контроль параметров этого сложного устройства. Только тогда из-
мерения, производимые на нем, могут претендовать на достоверность.
Кроме того, использование методов и средств калибровки и аттестации рас-
тровых электронных и сканирующих зондовых микроскопов производителями
соответствующих приборов позволит им создавать новые приборы с лучшими
характеристиками, которые, в свою очередь, позволят продвинуться дальше на
пути развития нанотехнологий.
Для обеспечения нормативной базы нанометрологии, разработаны и введе-
ны в действие семь российских стандартов [22]:
• ГОСТ Р 8.628—2007 «Государственная система обеспечения единства из-
мерений. Меры рельефные нанометрового диапазона из монокристалличе-
ского кремния. Требования к геометрическим формам, линейным разме-
рам и выбору материала для изготовления»;
• ГОСТ Р 8.629—2007 «Государственная система обеспечения единства из-
мерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным
профилем элементов. Методика поверки»;
• ГОСТ Р 8.630—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измеритель-
ные. Методика поверки»;
• ГОСТ Р 8.631—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы электронные растровые измерительные. Методика по-
верки»;
• ГОСТ Р 8.635—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика
калибровки»;
• ГОСТ Р 8.636—2007 «Государственная система обеспечения единства изме-
рений. Микроскопы электронные растровые. Методика калибровки»;
• ГОСТ Р 8.644—2008 «Государственная система обеспечения единства из-
мерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным
профилем элементов. Методика калибровки».
Для решения научно-технической проблемы обеспечения единства изме-
рений в нанотехнологиях необходимо осуществить ряд научно-методических,
328 Дополнение. Метрологические и стандартизационные основы нанотехнологий
технических и организационных мероприятий. В первую очередь, это созда-
ние новой структурной схемы передачи размера единиц физических вели-
чин от первичных эталонов рабочим средствам измерений, исключающей
многоступенчатость передачи (см. рис. Д.1). В этот комплекс мероприятий
входят также: фундаментальные исследования механизмов взаимодействия
зондов измерительных систем с объектом измерения; разработка новых ал-
горитмов измерений и соответствующего им математического обеспечения,
учитывающего влияние взаимодействия рабочего средства измерений с из-
меряемым объектом; создание новых мер — материальных носителей разме-
ра, обладающих свойствами, аналогичными свойствам вторичного эталона
и измеряемого объекта; разработка и создание стандартных образцов соста-
ва, структуры и рельефа поверхности и стандартизованных методик изме-
рений в нанометрии, обеспечивающих прослеживаемость передачи размера
единицы физической величины от эталона рабочим средствам измерений
в нанометровый диапазон без существенной потери точности для аттеста-
ции, калибровки и поверки средств измерений.
Достижение данной цели вполне реально, поскольку фундамент решения
указанной проблемы основан на концепции базисного эталона (см. рис. Д.1),
в котором реализована нано шкала. Этот эталон — основа для передачи единиц
физических величин в нанометровый диапазон. Дело за немногим — необхо-
дима гармонизированная система стандартных образцов состава, структуры
и свойств, служащих потребностям нанотехнологий. Все это создает предпо-
сылки и закладывает основы ускоренного развития высоких технологий в Рос-
сии, и особенно главной из них — нанотехнологии.
ПО ВОПРОСАМ ПРИОБРЕТЕНИЯ ЭТАЛОНОВ СРАВНЕНИЯ — МЕТРО-
ЛОГИЧЕСКИ АТТЕСТОВАННЫХ МЕР ДЛЯ КАЛИБРОВКИ РАСТРОВЫХ
ЭЛЕКТРОННЫХ И АТОМНО-СИЛОВЫХ МИКРОСКОПОВ В НАНОМЕТРО-
ВОМ ДИАПАЗОНЕ ОБРАЩАТЬСЯ:
119421, РОССИЯ, МОСКВА, УЛ. НОВАТОРОВ,
ДОМ 40, КОРП. 1, НИЦПВ
ТЕЛ.: (+7) 495-935-9777
ТЕЛ/ФАКС: (+7) 495-935-5911
E-mail: fgupnicpv@mail.ru
www.nicpv.ru
[1]. M. T. Postek Nanometer — Scale Metrology // Proceedings of SPIE.2002,
vol. 4608, p. 84—96.
[2]. П. А. Тодуа. Метрология в нанотехнологии // Российские нанотехнологии.
2007, том 2, № 1—2, с. 61—69.
[3]. П. А. Тодуа, В. А. Быков, Ч. П. Волк, Е. С. Горнев, Ж. Желкобаев, Л. М. Зы-
кин, А. Б. Ишанов, В. В. Календин, Ю. А. Новиков, Ю. В. Озерин,
Ю. И. Плотников, А. М. Прохоров, А. В. Раков, С. А. Саунин, В. Н. Черня-
ков. Метрологическое обеспечение измерений длины в микрометровом
и нанометровом диапазоне и их внедрение в микроэлектронику и нано-
технологию // Микросистемная техника, 2004, № 1, с. 38—44; № 2, с. 24—
39; № 3, с. 25—32.
[4]. Yu. A. Novikov, A. V. Rakov, P. A. Todua. Metrology in linear measurements
of nanoobject elements // Proceedings of SPIE, 2006, vol. 6260, p. 626013-1—
626013-8.
[5]. Yu. A. Novikov, V. P. Gavrilenko, Yu. V. Ozerin, A. V. Rakov, P. A. Todua. Silicon
tect object of linewidth of nanometer range for SEM and AFM // Proceedings of
SPIE, 2007, vol. 6648, p. 66480R-1—66480R-11.
[6]. Yu. A. Novikov, V. P. Gavrilenko, A. V. Rakov, P. A. Todua. Test objects with rightangled
and trapezoidal profi les of the relief elements // Proceedings of SPIE, 2008,
vol. 7042, p. 704208-1—704208-12.
[7]. P. A. Todua, V. P. Gavrilenko, Yu. A. Novikov, A. V. Rakov. Check of the quality of
fabrication of test objects with a trapezoidal profi le // Proceedings of SPIE, 2008,
vol. 7042, p. 704209-1—704209-8.
[8]. М. А. Данилова, В. Б. Митюхляев, Ю. А. Новиков, Ю. В. Озерин, А. В. Ра-
ков, П. А. Тодуа. Тест-объект с шириной линии менее 10 нм для растровой
электронной микроскопии // Измерительная техника, 2008, № 8, с. 20—
23.
[9]. М. А. Данилова, В. Б. Митюхляев, Ю. А. Новиков, Ю. В. Озерин, А. В. Ра-
ков, П. А. Тодуа. Тест-объект с тремя аттестованными размерами ширины
линии для растровой электронной микроскопии // Измерительная техни-
ка, 2008, № 9, с. 49—51.
[10]. Yu. A. Novikov, A. V. Rakov, P. A. Todua. Linear sizes measurements of relief
elements with the width less 100 nm on a SEM // Proceedings of SPIE, 2006,
vol. 6260, p. 626015-1—626015-6.
[11]. V. P. Gavrilenko, M. N. Filippov, Yu. A. Novikov, A. V. Rakov, P. A. Todua.
Measurements of linear sizes of relief elements in the nanometer range using
a scanning electron microscopy // Proceedings of SPIE, 2007, vol. 6648,
p. 66480T-1—66480T-12