Нанометрология

На́нометрология или метрология (от греч. μέτρον — мера, измерительный инструмент) — наука, отличающаяся измерениями, методами и средствами их обеспечения единствами и способами достижения требуемой точности в диапазоне нанометров.

Введение

Развитие общества неразрывно связанное с развитем науки, техники и экономики. Не возможно в настоящее время развиваться без научно-технического прогресса. В ХХ веке состояние экономики ведущих стран мира было обусловлено и связано с бурным развитием с так называемыми высокими технологиями. Это авиация, космонавтика, ядерная энергетика, электроника, медицина и др. В конце ХХ и начале ХХI века имеет место развитие таких отраслей как микроэлектроника и информатика. Особо следует отметить, что ХХI век — это начало быстого развития отрасли как нанотехнология.

История

История нанотехнологии связана с первооткрывателем идеи создания нанотехнологий, впервые применившим понятия НТ был знаменитый физик Ричард Фейнман в докладе, который сделал доклад в американском Физическом Обществе, на встрече в Caltech 29 декабря 1959 года. Фейнман описал процесс, который способен управлять индивидуальными атомами и молекулами, который мог быть развит, используя один из наборов точных инструментов для создания другого набора с меньшими размерами и так далее — для управления другими пропорционально меньшими частицами. В ходе доклада Фейнман отметил, что в оценке задачи появления эффекта изменения величин различных физических состояний существует опасность НТ в вопросах влияния поверхностной напряженности создаваемых веществ и др.

Тем не менее, датой появления термина «нанотехнология» считают 1974 год, от заявления профессора университета Науки Токио Норайо Танигачи. (Подробнее см. история в статье нанотехнология).

Но история развития науки и нанотехнологии в частности напрямую связана с развитием систем, средств и методов измерений.

Цели и задачи нанометрологии

Нанометрология в ХХI веке

Нанотехнология не мыслима без новых, более совершенных методов и инструментов измерений. Фундаментальные научные и экспериментальные исследования связаны в первую очередь с непосредственными измерениями изучаемых объектов на атомно-молекулярном уровне. Получение информации о размерах и самих микрочастицах — первейшая задача метрологии и нанометрологии в частности. Здесь особую важность приобретают вопросы получения размера наночастиц в диапазоне нанометрическом, которые отличаются своей сложностью, спецификой от принятых методов измерений, вопросы создания новых оптических систем, новых микроскопов, связанных с новыми методами повышения их разрешающей способноти. Например, см. новый оптический микроскоп —Флюоресцентный наноскоп, новые оптические системы — оптика преломления рентгеновских лучей и т.д.

Нанометрология линейных измерений

Вообще, метрология и нанометрология и деятельность человека тесно связана с единой шкалой размеров во главе с Первичным эталоном длины — метром.

На шкале показаны области деятельности разных отраслей науки и техники.

550px

Начиная с 1960 было решено отказаться от использования изготовленного людьми металлического платино-иридиевого бруска в качестве эталона метра (платина, иридий). Начиная с этого времени и по 1983 метр определялся как число 1 650 763,73, умноженное на длину волны оранжевой линии (6 056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона-86 в вакууме.

Бурное развитие лазерного излучения, прямые измерения частоты оптического излучения высокостабильного He-Ne-лазера дали возможность определить скорость света из соотношения: $$\!{c} = {\lambda}{\nu}$$ Где:

• 1)$\!{\lambda}$ — длина волны, определеная из зачения эталона метра,
• 2)$\!{\nu}$ — частота колебаний, определеная из эталона частоты.
• 3) — Основное открытие о том, что скорость света $\!{c}$ сохраняет постоянную величину в любой инерциальной системе координат, позволило определить критерии точности эталонов длины метра на порядки выше.

Откуда, вместо двух основных первичных эталонов (длины и времени) оказалось возможным применить новые основные эталоны:

• $\!{c}$ - скорость света,
• $\!{\nu}$ - частота.

В 1983 на ХVII Генеральной конференции по мерам и весам на основе третьего открытия в качестве неизменяемой фундаментальной константы установлена величина скорости света, равная:

$\!{c}$ = 299792458 м/с.

Там же было введено (в 1983 году) современное определение метра в терминах времени и скорости света:

• Метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

Из этого определения в системе СИ (система единиц) скорость света в вакууме принята равной в точности 299 792 458 м/с. Таким образом, определение метра, как и два столетия назад, вновь привязано к секунде, но на этот раз с помощью универсальной мировой константы. Соответственно принято, что метр — длина пути, проходимого светом в ваккууме равен:

метр = 1/$\!{c}$секунды.

Где: $\!{c}$ — скорость света.

В 1997 г. на Сессии Консультативного комитета по длине рекомендованы значения частоты и длины волны излучения He-Ne/J2-лазера, стабилизированного по уровню насыщенного поглощения в молекулярном йоде, и равны:

• $\!{\nu}$ = 4736122214705 кГц
• $\!{\lambda}$ = 632.99139822 нм.

Первичный эталон метра, реализующий этот физический принцип,обеспечивает воспроизведение единицы длины (метра) с относительным среднеквадратичным отклонением (неопределённостью) 2410^-11. Т.е. за промежуток времени, немногим более 100лет, точность эталона увеличилась более чем на 10⁴, или на четыре порядка (10000 раз).

Будущее развития нанометрологии и нанотехнологии

Перспективы развития нанотехнологии полупрводниковой микроэлектронники США в нанометрах на период 1995-2010г.г.

---

---

Планируемое развития полупрводниковой промышленности США и минимальные размеры элементов в нанометрах микросхем по годам.

Данные планов развития нанотехнологий показывают необходимость решения задач по нанометрологии — создания необходимых средств и методов линейных измерений в нанометрах с точной привязкой к «Первичному эталону длины» — метру.

Интерферометрия — основа линейных измерений

Прибор интерферометр от которого и пошло название интерферометрия — измерительный прибор, в котором используется явление волн. Применяются интерферометры для электромагнитных волн: оптических (ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областей спектра) и радиоволн различной длины и звуковых волн. Принцип действия всех интерферометров одинаков, различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется.

См. также

• Метрология
• Нанотехнология
• Нанотехнология и нанометрология
• Интерферометрия
• Флюоресцентный наноскоп
• Электронный микроскоп

---

---