НАНОМЕТРОЛОГИЯ
006.057:006.9:539.0
Метрология и стандарты в области
нанотехнологий
В. И. ТРОЯН*, М. А. ПУШКИН*, В. Н. ТРОНИН*, В. Д. БОРМАН*,
П. А. КРАСОВСКИЙ**
* Московский инженерно-физический институт (государственный университет),
e-mail: troyan@mephi.ru
** Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, e-mail: director@vniiftri.ru
Обсуждаются проблемы метрологического обеспечения нанотехнологий и направления развития наномет-рологии. Проведен анализ современного состояния стандартизации в области наноиндустрии. Ключевые слова: стандартизация, метрология, нанотехнологии, нанокластеры.
Problems of metrological assurance in nanotechnology and the main trends of development of nanometrology are discussed. Current status of standardization in nanoindustry is analyzed. Key words: standardization, metrology, nanotechnology, nanoclusters.
В связи с возможными перспективами широкого использования нанокластеров и наноструктурированных материалов в настоящее время возникла насущная необходимость в метрологии наноматериалов. Это, в частности, обусловлено существенной зависимостью физико-химических свойств на-нокластерных материалов, определяющихся их структурой и электронными характеристиками, от размера, формы, взаимного расположения нанокластеров, а также свойств внешней среды, с которой они взаимодействуют [1]. Поэтому требуется идентификация общих физических свойств нанокластеров и наноматериалов, которые могли бы выступать в качестве метрологических характеристик данных объектов.
Как известно, в метрологии рассматривают связь между физическими величинами и принципами построения системы единиц измерения. В свою очередь, физическая величина трактуется как свойство физических объектов, качественно общее для многих объектов, но количественно индивидуальное для каждого объекта. Особенность построения метрологии истинных нанообъектов (^ = 1...100 нм), т. е. нано-метрологии, состоит в том, что при уменьшении размеров массивного тела до нанометровых его физико-химические свойства постепенно (или скачкообразно) меняются, и при этом формируется новая фаза вещества, отличная от исходной (объемного твердого тела). Наночастицы, в которых характерный размер становится соизмеримым с какой-либо физической величиной размерности длины (длина волны де Бройля, свободного пробега электронов проводимости, глубины скин-слоя), будут проявлять свойства, отличные от свойств частиц больших размеров. Например, в металлах происходит изменение характера межатомной связи от металлической до ковалентной с переходом кластера металла в неметаллическое состояние при уменьшении его размера до 2—3 нм [2]. Наблюдаются также явления локализации электронов [3] и флуктуации проводимости, приводящие к отсутствию самоусредняемости в системе наночастиц. В системе наночастиц возникает каталитическая активность [4], отсутствующая в объемных материалах флуктуации формы наночастиц. Изменение физических характеристик на-
нокластеров также определяется соотношением атомов в объеме и на поверхности кластера, свойства которых существенно отличаются.
В силу этого нанометрология должна развиваться в двух направлениях. Первое заключается в повышении точности существующих методов измерения характеристик макроскопических объектов до наномасштаба и, главным образом, связано с совершенствованием технологии; второе — в разработке новых методов измерения характеристик нанораз-мерных объектов в области, где начинают проявляться особые свойства вещества, не присущие макроскопическим объектам.
Поскольку объективной количественной оценкой физической величины является ее единица, т. е. шкала физической величины, в случае нанообъектов трудно однозначно определить такую шкалу. Кроме проблемы создания единиц физических величин в нанометрологии существует также проблема выбора методов и средств измерений, методов определения точности и обеспечения единства измерений. Так, известно, что добавки наночастиц в некоторые материалы даже при незначительной концентрации частиц могут приводить к существенному изменению макроскопических свойств таких материалов (например, упрочняющие нано-добавки в бетоны или антисептическое действие частиц серебра, имплантированных в ткани и перевязочные материалы). Однако не всегда существующие аналитические методы позволяют регистрировать малые концентрации нано-частиц (числовую плотность частиц), что затрудняет сертификацию такой продукции. С другой стороны, переход микроэлектронной промышленности на изготовление микросхем с проектными нормами 45 нм предъявляет новые требования к чистым комнатам, что связано с разработкой методов детектирования и методик анализа дисперсного состава частиц атмосферы с размерами в несколько десятков нанометров, а также изготовлением эталонов наночас-тиц.
Для исследований и создания наноструктурированных покрытий, тонких пленок и малых элементов начинает применяться наноиндентирование, т. е. измерение твердости
материалов на уровне наномасштабов. Однако, несмотря на выпуск приборов для этой цели, в настоящее время их метрологическое обеспечение отсутствует. Возникают задачи разработки эталонов твердости на наноуровне, стандартов на размеры инденторов, методик расчета твердости, и, возможно, пересмотра самого определения твердости применительно к наноразмерным масштабам.
Стандартизация и сертификация в области наноматери-алов и нанотехнологий призваны регулировать качество выпускаемой продукции путем разработки соответствующих норм, эталонов и стандартов. Необходимость разработки новых и адаптации существующих норм обусловлена особыми свойствами наноматериалов. Так, возникает вопрос применимости к новым наноматериалам уже существующих норм, регулирующих использование химических веществ. Можно ли считать углеродные нанотрубки графитом, нано-частицы серебра — серебром, а диоксид титана — тем же самым веществом независимо от размера его частиц?
В настоящее время в связи с прогрессивным развитием нанотехнологии возникла насущная необходимость общего пересмотра определений единиц измерений в контексте с квантовыми явлениями, определяемыми фундаментальными константами. Например, обнаруженный в 1980 г. квантовый эффект Холла приводит к квантованию сопротивления в двумерных электронных структурах R = / т, где — постоянная фон Клитцинга, т — целое число. Нестационарный эффект Джозефсона проявляется в виде ступенек постоянного напряжения V = mhv / 2е в вольт-амперной характеристике джозефсоновского перехода под воздействием излучения частотой V. Высокая точность (до 108), стабильность и воспроизводимость величин RH = h / е2 = 25812,8 Ом и К^ = h / 2е = 483597,9 ГГц / В, определяющихся фундаментальными константами, позволили в 1990 г. принять их в качестве «представления» единиц измерения сопротивления и напряжения, измерение которых может быть проведено в любой лаборатории без необходимости передачи «искусственного» эталона [5]. Квантовый электрический стандарт [5] можно представить «метрологической триадой» (рис. 1), связывающей измеряемые величины напряжение V, силу тока I и частоту V с квантовыми эффектами: нестационарным эффектом Джозефсона (V / V = т2е / квантовым эффектом Холла (V / I = mh/е2) и эффектом одно-электронного туннелирования (I / V = те).
Примером одноэлектронного туннелирования может служить явление кулоновской блокады [6], наблюдаемое при измерении туннельных вольт-амперных характеристик на-нокластеров металлов на поверхности тонкого туннельно-прозрачного диэлектрика. В этом случае зависимость туннельного тока от напряжения, прикладываемого между зондом и подложкой, отклоняется от линейного закона Ома и имеет вид так называемой кулоновской лестницы, ширина ступенек которой А и = е/2С определяется собственной емкостью кластера С, которая, в свою очередь, пропорциональна его размеру. С увеличением размера кластера ширина ступенек уменьшается, и зависимость туннельного тока от напряжения стремится к линейной. Схематически туннельные вольт-амперные характеристики нанокластеров двух размеров, а также объемного металла показаны на рис. 2.
Проблема калибровки измерительных средств обусловлена не только наличием эталонов, но и методами передачи размеров единиц от эталонов к нижестоящим рабочим средствам измерений (прослеживаемость). С целью совер-
Эффект Джозефсона
hie' Квантовый эффект Холла
Рис. 1. Квантовый электрический стандарт: «метрологическая триада»
Одноэлектрон- шенствования системы ное метрологии, сертифи-
Туннелирование Кации и стандартиза-е ции в области нанотех-
нологий и наноматериалов в развитых странах мира в рамКах соответствующих национальных программ ведутся работы по определению первоочередных задач и ключевых направлений исследований. В частности, в Европейском союзе в рамках 7-й рамочной программы финансируются проекты по таким направлениям, как оборудование и методы для нанотехноло-гии; координация разработок в области нанометрологии; оценка рисков производства и использования наночастиц для здоровья и окружающей среды; разработка базы данных по вопросам влияния наночастиц на здоровье, безопасность и окружающую среду; методы измерения параметров наноструктурированных материалов. В Великобритании в 2006 г. Департаментом окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства (Defra) подготовлен обзор «Исследование с целью определения пробелов в вопросах регулирования продукции и применений нанотехнологий», Исполнительным комитетом по здравоохранению и технике безопасности (HSE) — «Обзор адекватности существующих методик регулирования для эффективного регулирования наночастиц, созданных с использованием нанотехнологий», Агентством по стандартам в области продовольствия — «Обзор потенциальных применений нанотехноло-гий для регулирования и оценки риска в вопросах, касающихся продуктов питания». Во Франции Ассоциацией по санитарным нормам окружающей среды и труда (AFSSET) подготовлены отчеты «Нанотехнологии, наночастицы — каковы опасность и риски?» и «Влияние наноматериалов на здоровье и окружающую среду». В США принят «Закон
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.