10. Нанотехнологии в измерительной технике

Нанотехнология – совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Измерение расстояний и профиля поверхности

Сканирующий туннельный микроскоп. Металлическая игла подводится к образцу на расстояние в несколько ангстрем. При подаче напряжения на иглу относительно образца (образец должен быть проводящим) возникает туннельный ток, который зависит от расстояния до образца. Типичная величина тока: 1 пА – 1 нА. Перемещая иглу и измеряя ток, можно получить профиль поверхности. В современных системах туннельный ток стабилизируется за счёт обратной связи, профиль поверхности при этом определяется высоте (которая может меняться).

Атомно-силовой микроскоп. Есть упругая консоль – кантилевер. На ней закреплен наноразмерный зонд. Сила, действующая со стороны поверхности на зонд, изгибает консоль. Угол изгиба определяется с помощью матрицы фотодиодов по отклонению лазерного пучка, направленного на консоль. Основное достоинство атомно-силового микроскопа по сравнению с туннельным – образец может быть непроводящим.

Можно подавать переменное напряжение и измерять ёмкость системы, измеряя частоту колебаний зонда. По ней можно определить электрические характеристики поверхности.

Минимальный шаг сканирования 0,01 нм. Размер кадра до 100 мкм.

Нанооптика и ближнепольная микроскопия: оптические измерения посредством помещения источников и/или детекторов излучения на расстоянии меньше длины волны. Вывод и приём излучения осуществляется через волокно с дополнительной апертурой.

Чтобы проводить измерения, а не просто рисовать картинки, микроскопы нужно калибровать. Калибровка осуществляется путём сравнения с мерой-эталоном. Специальные меры изготавливают из кремния. Они представляют собой специальные периодические структуры с заданными параметрами. Характерные размеры 100 нм - 2 мкм. Точность 1 нм.

В качестве эталонов также могут использоваться калиброванные пьезоэлектрические пластины. Для керамики 5В – 1 нм.

Кроме того, калибровку можно производить и интерференционными методами.

Измерение массы

В качестве чувствительного элемента в весах для наночастиц обычно используется микроконсоль из кремния – кантилевер. Её положение регистрируется оптической системой по отклонению пучка. Характерные размеры кантилевера – 5 мкм 10^‑10 г. Чувствительность до 10^-16 г. Сделать кантилеверы меньше и точнее мешает дифракционный предел.

Точность 10^-18 г можно получить на кремниевом кантилевере с напылённой золотой дорожкой. При деформации кантилевера сопротивление дорожки изменяется и его можно зарегистрировать.

Массу единичных атомов золота измеряли с помощью весов из углеродных нанотрубок (2x254 нм). Методы измерения деформации были похожи на измерения с помощью туннельного микроскопа.

Часто измеряется не сама деформация, а период колебаний. Период колебаний меняется дискретно. Шаг дискретизации соответствует массе одного атома.

Контроль твёрдости и упругости

Контроль твёрдости осуществляется путём взаимодействия твёрдого наконечника известной формы и размера (индентера) с исследуемым веществом. Два метода: вдавливание (наноиндентирование) и нанесение и анализ царапин (склерометрия). При подобных измерениях предъявляются высокие требования к шероховатости, т.к. он сильно влияет на пятно контакта. Размеры отпечатков ~ 4 мкм. Нагрузки ~ 5 г. Изучают, как правило, зависимость глубины внедрения от величины нагрузки. В случае индентирования измеряется нагрузка при максимальной глубине опускания индентера. Это позволяет избежать ошибок, связанных с упругим восстановлением.

Склерометрия имеет ряд преимуществ, связанных с пространственным усреднением (шероховатости и пространственные дефекты влияют не сильно). Склерометрия может учитывать анизотропию.

Для определения перемещений используются пьезорезонансные зондовые датчики. Индентеры делают из алмаза.

Приборы для счёта частиц

Газ с частицами прогоняется через объём с насыщенным паром. Пар конденсируется на частицах. В результате они увеличиваются в размере, а размер становится фиксированным (d ~ 30-60 нм). Далее газ с укрупнёнными частицами пропускается через перетяжку лазера, а фотоэлемент считает частоту провалов интенсивности пучка.

Измерение толщины нанослоёв

Тандемный интерферометр

Два интерферометра установлены последовательно друг за другом. Подаётся свет с низкой длиной когерентности (в этом вся фишка!). В первом интерферометре импульс делится на два, которые друг с другом не интерферируют из-за малой длины когерентности источника. Во втором интерферометре каждый из импульсов делится ещё на два. На выходе 4 импульса. Для двух из них разность хода будет минимальной (L2 – L1 < L_coh) и они будут интерферировать. Все остальные интерферировать не будут.

В один интерферометр встраивается измеряемый объект, а другой подстраивается под длину первого по максимуму интерференционной картины.

Есть нанотермометры, которые измеряют температуру на характерных масштабах ~ 200 нм. Общая идея – изменение размера полимерных наносфер за счёт теплового расширения.

Разные технологии

Просветлённая оптика. Толщина одного слоя должна быть λ/4, т.е. ~ 100 нм.

Микроструктурированные волокна. В волокнах создаются специальные структуры для повышения эффективности удержания света в волокне по сравнению с обычным двухслойным волокном. Создание условий одномодового режима для любых длин волн. Создание дифракционных решёток в волокне.

Интегральные микросхемы.

МЕМС – но это уже микрометры.

Источники

Рачков. Физические основы измерений