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 и ползучестью , нелинейное поведение и гистерезис , 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.
• , 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.
• ( англ. X-ray absorption Spectroscopy )
• Малоугловое рентгеновское рассеяние ( англ. Small Angle X-Ray Scattering )
• ( англ. Capacitance Spectroscopy )
• ( англ. Polarization Spectroscopy )
• Оже-спектроскопия ( англ. Auger Electron Spectroscopy )
• Спектроскопия комбинационного рассеяния ( англ. Raman Spectroscopy )
• Малоугловое нейтронное рассеяние ( англ. Small Angle Neutron Scattering )
• ( англ. Cyclic Voltammetry )
• ( англ. Linear Sweep Voltammetry )
• Мёссбауэровская спектроскопия ( англ. Mössbauer Spectroscopy )
• Инфракрасная спектроскопия ( англ. Fourier Transform Infrared Spectroscopy )
• Фотолюминесцентная спектроскопия ( англ. Photoluminescence Spectroscopy )
• Электролюминесцентная ( 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 )
• ( англ. Single-molecule Spectroscopy )
• Нейтронография ( англ. Neutron Diffraction )
• Дифференциальный интерференционно-контрастный микроскоп ( англ. Interference Microscopy )
• ( 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 ( ), слюды или кремния .

Ссылки

Примечания