Нанометрология

Новое поколение Нанометрологических разработок

Нанометрология (англ. nanometrology) — раздел метрологии, включающий разработку теории, методов и инструментов для измерения параметров объектов, линейные размеры которых находятся в нанодиапазоне, то есть от 1 до 100 нанометров.

Содержание нанометрологии

Нанометрология включает в себя теоретические и практические аспекты метрологического обеспечения единства измерений в нанотехнологиях, в том числе: эталоны физических величин и эталонные установки, стандартные образцы сравнения; стандартизованные методики измерений физико-химических параметров и свойств объектов нанотехнологий, а также методы калибровки самих средств измерений, применяемых в нанотехнологиях; метрологическое сопровождение технологических процессов производства материалов, структур, объектов и иной продукции нанотехнологий.

Особенности нанообъектов

Нанообъекты обладают рядом особенностей, определяющими и значимость нанотехнологий, и обособленность нанометрологии как отдельного раздела метрологии. Эти особенности связаны с размером нанообъектов и включают в себя:

• Принципиальная невозможность рассмотреть отдельные нанообъекты классическими оптическими методами;
• Появление эффектов квантовой физики, включая туннельный эффект;
• Взаимодействие с молекулярными системами, включая силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи;
• Взаимодействие с биологическими системами, включая белки, РНК, ДНК;
• Развитая поверхность (высокая доля приповерхностного слоя в общем объёме нанообъекта) и т.д.

Из-за особенностей нанообъектов к ним неприменимы некоторые классические методы измерений, например, основанные на визуальном контакте с объектом. Кроме того, измерение уникальных свойств нанообъектов возможно только на основе методов, позволяющих эти уникальные свойства взять в расчёт.

Калибровка

При калибровке в нанометровом масштабе необходимо учитывать влияние таких факторов как: вибрации, шум, перемещения, вызываемые тепловым дрейфом и ползучестью, нелинейное поведение и гистерезис пьезосканера, а также ведущее к значительным погрешностям взаимодействие между поверхностью и прибором.

Методы и приборы нанометрологии

• Растровый электронный микроскоп, РЭМ (англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — псевдотрёхмерная визуализация поверхности, линейные размеры, картрирование поверхности и объектов на ней по составу, строению, люминесцентным свойствам с разрешением порядка 1-10 нм.
• Просвечивающий электронный микроскоп, ПЭМ (англ. Transmission Electron Microscope, TEM) — структура нанообъектов на просвет (электронным пучком) и их фазовый состав с субатомарным разрешением.
• Атомно-силовой микроскоп, АСМ (англ. Atomic-Force Microscope, AFM) — рельеф поверхности с разрешением вплоть до атомарного, картрирование поверхности по электромагнитным свойствам.
• Сканирующий туннельный микроскоп, СТМ (англ. Scanning Tunneling Microscope, STM) — рельеф проводящей поверхности с атомарным разрешением.
• Автоионный и автоэлектронный проектор (англ. Field Ion Microscope, Field Emission Microscope) — изображение поверхности проводящих твёрдых тел, имеющих форму острой иглы, с атомарным разрешением.
• Динамическое светорассеяние, ДРС (англ. Dynamic Light Scattering, DLS) — характеризация гидродинамического диаметра частиц и их концентрации в прозрачных (неконцентрированных) суспензиях, предпочтительно моно- и бидисперсных, в диапазоне размеров от долей нанометра до нескольких микрометров. Определение дзета-потенциала частиц.
• Акустическая спектроскопия, АС (англ. Acoustic Spectroscopy, AS) — характеризация диаметра частиц в диапазоне от доли нанометров до микрометров и их концентрации с точки зрения их поведения в суспензии под действием градиента давления ультразвуковых волн, определение дзета-потенциала частиц. Подходит для концентрированных непрозрачных суспензий. Характеризация пористых материалов.
• Порошковая рентгеновская дифракция (англ. Powder diffraction) — определение фазового состава порошка, характеризация его текстуры и размеров кристаллитов каждой из фаз.
• Эллипсометрия (англ. Ellipsometry) — определение толщины тонких плёнок, в т.ч. нанометровых.
• Метод БЭТ, Метод BJH (англ. BET theory, BJH) — определение удельной площади поверхности вещества в газовой среде, в т.ч. нанообъектов с развитой поверхностью и пористых материалов.
• ЯМР-спектроскопия (англ. NMR spectroscopy) — химический состав веществ, в т.ч. учёт доли вещества на границе фаз.
• Сканирующий классификатор подвижности частиц (англ. Scanning mobility particle sizer, SMPS) — характеризация распределения концентрации в газовой среде нано- и микрочастиц по размеру с точки зрения подвижности заряженных частиц.
• Абсорбционная рентгеновская спектроскопия (англ. X-ray absorption Spectroscopy)
• Малоугловое рентгеновское рассеяние (англ. Small Angle X-Ray Scattering)
• Ёмкостная спектроскопия (англ. Capacitance Spectroscopy)
• Поляризационная спектроскопия (англ. Polarization Spectroscopy)
• Оже-спектроскопия (англ. Auger Electron Spectroscopy)
• Спектроскопия комбинационного рассеяния (англ. Raman Spectroscopy)
• Малоугловое нейтронное рассеяние (англ. Small Angle Neutron Scattering)
• Циклическая вольтамперометрия (англ. Cyclic Voltammetry)
• Вольтамперометрия с линейной развёрткой потенциала (англ. Linear Sweep Voltammetry)
• Мёссбауэровская спектроскопия (англ. Mössbauer Spectroscopy)
• Инфракрасная спектроскопия (англ. Fourier Transform Infrared Spectroscopy)
• Фотолюминесцентная спектроскопия (англ. Photoluminescence Spectroscopy)
• Электролюминесцентная спектроскопия (англ. Electroluminescence Spectroscopy)
• Дифференциальная сканирующая калориметрия (англ. Differential Scanning Calorimetry)
• Масс-спектрометрия вторичных ионов (англ. Secondary Ion Mass Spectrometry)
• Катодолюминесцентная спектроскопия (англ. Cathodoluminescence Spectroscopy)
• Спектроскопия характеристических потерь энергии электронами (англ. Electron Energy Loss Spectroscopy)
• Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (англ. Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy)
• (англ. Four point probe and I-V technique)
• Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (англ. X-Ray Photoelectron Spectroscopy)
• Ближнепольная оптическая микроскопия (англ. Scanning Near-field Optical Microscopy)
• Спектроскопия одиночных молекул (англ. Single-molecule Spectroscopy)
• Нейтронография (англ. Neutron Diffraction)
• Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп (англ. Interference Microscopy)
• Лазерная интерферометрия (англ. Laser Interferometry)

Единство измерений

Достижение единства измерений в макромасштабе достаточно простая задача, для решения которой используются: штриховые меры длины, лазерные интерферометры, калибровочные ступеньки, поверочные линейки и т. п. В нанометровом масштабе в качестве меры длины, позволяющей реализовать единство измерений, удобно использовать кристаллическую решётку высокоориентированного пиролитического графита (ВОПГ), слюды или кремния.

Ссылки

При написании этой статьи использовался материал из распространяющейся по лицензии Creative Commons BY-SA 3.0 Unported статьи:
Иванов Виктор Владимирович. Нанометрология // Словарь нанотехнологических терминов.

• Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»
• Просто о сложном: нанометр — это вообще сколько?