eng
Выпуск #3/2009
В.Быков, В.Васильев, А.Голубок.
Наноэдьюкатор – первый шаг к созданию образовательной нанотехнологической сети
Наноэдьюкатор – первый шаг к созданию образовательной нанотехнологической сети
Просмотры: 2265
Эксперты национального научного фонда США оценивают мировую потребность в специалистах в области нанотехнологий (НТ) к 2010–2015 годам в 2,1 млн. человек [1]. Российский рынок наноиндустрии в настоящее время находится на стадии формирования, однако, учитывая миллиардные государственные вложения [2], можно прогнозировать появление в ближайшее время в России спроса на специалистов в этой области.
В настоящее время около 40 университетов России ведут подготовку бакалавров, магистров и специалистов, имея лицензии или заключения учебно-методического объединения на право ведения образовательной деятельности по направлению НТ, 32 университета участвуют в ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008–2010 гг.", создавая Научно-образовательные центры по направлению НТ, ряд университетов модернизируют существующие учебные программы, включая в них НТ-разделы.
Однако для подготовки специалистов в области нанотехнологии необходимо соответствующее обучающее оборудование. В 2005 году на кафедре нанотехнологий и материаловедения СПбГУ ИТМО была разработана концепция комплексной учебно-исследовательской мини-лаборатории по НТ на базе СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР (NE). Впоследствии концепция СЗМ-NE была поддержана Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и Фондом поддержки образования и науки [3]. Разработку, изготовление и выпуск на рынок такого оборудования осуществляет группа компаний: ЗАО "Нанотехнологии МДТ" и ЗАО "Инструменты нанотехнологий" (Зеленоград); ООО "НТ-СПб" (Санкт-Петербург).
В состав учебно-исследовательской мини-лаборатории НАНОЭДЬЮКАТОР входят:
СЗМ-NE, включающий измерительную головку, электронный блок управления, РС и специализированное ПО "NanoEdu";
стойка с пассивной виброзащитой;
комплект зондовых датчиков (7 шт.) в виде картриджей со сменными зондами;
технологическая установка электрохимического изготовления зондов из W-проволоки с технологическими приспособлениями и набором расходных материалов;
приспособление для полуавтоматической замены зондов;
набор тестовых образцов для калибровки прибора;
набор образцов для лабораторных работ;
инструкция пользователя СЗМ-NE;
учебник по основам СЗМ [4];
методическое пособие для выполнения лабораторных работ.
Конкретная спецификация определяется в индивидуальном порядке.
Измерительная головка СЗМ-NE
Основой лаборатории является базовый СЗМ-NE, при создании которого разработчики ориентировались на студенческую аудиторию и учитывали возможную низкую компетентность будущих пользователей.
Для удобства работы в измерительную головку (ИГ) (рис.1) включен цифровой оптический микроскоп (8) с увеличением около 100 крат, связанный с PC по USB-каналу. Для обеспечения взаимодействия между зондом и образцом используется шаговый двигатель (4), приближающий зондовый датчик (2) к поверхности образца, и программный алгоритм, обеспечивающий автоматическую остановку на заданном уровне сближения в момент появления сигнала взаимодействия.
Отличительная особенность ИГ – наличие пьезосканера (1) с большим полем сканирования (до 100 мкм в плоскости X-Y и до 30 мкм в направлении Z) [5] и универсальный зондовый датчик (2) в виде сменного картриджа [6–7] с возможностью простой замены зонда.
ИГ функционирует как в режиме сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), так и в полуконтактном сканирующем силовом режиме (ССМ) без замены зондового датчика. Образец может находиться как в воздухе, так и в капле жидкости, причем для исследования в жидкости не требуется специальной перенастройки ИГ или датчика. (Концепция сменных зондовых датчиков-картриджей с восстанавливаемыми зондами оказалась исключительно продуктивной для учебного процесса.)
Универсальный зондовый датчик
На рис.2 представлен универсальный зондовый датчик-картридж, использующий пьезорезонансный принцип детектирования силового взаимодействия. Переход от туннельного к силовому режиму измерений осуществляется за счет электрических коммутаций, без каких-либо механических перенастроек.
Добротность зондового датчика СЗМ-NE (рис.3а) изменяется в диапазоне 15–30 для разных датчиков. Этого достаточно, чтобы получать СЗМ-изображения поверхности образцов различной природы (металлы, полупроводники, полимеры, биологические клетки, бактерии) в режиме полуконтактной ССМ.
Характер кривой подвода (рис.3б) позволяет оценить крутизну взаимодействия между зондом и образцом, выбрать рабочую точку и оценить амплитуду колебаний зонда.
Пьезосканер
На рис.4 представлен сканер с большим полем сканирования, применяемого в СЗМ-NE [5].
Перемещение столика с образцом (5) вдоль осей X,Y (3), Z (4) в диапазоне 100×100×30 мкм осуществляется под действием управляющего напряжения не более +250 В тремя пьезоэлементами (1) в виде круглых металлических мембран с приклеенными к ним тонкими пьезокерамическими дисками. Пьезоэлементы (1) прижимаются к корпусу сканера с помощью фланцев (2). Корпус сканера заземлен, что обеспечивает безопасность работы даже при снятом корпусе ИГ.
В процессе сканирования осуществляется расчет перемещения с использованием чувствительности конкретного сканера (параметры всех сканеров ранее заносятся в базу данных ПО) и вносится коррекция на нелинейность и взаимовлияние осей.
Электронный блок и программное обеспечение СЗМ-NE
Электронный блок (рис.5) состоит из аналогового (АМ) и цифрового модуля (ЦМ).
Компьютер (РС), оснащенный специализированным ПО "NanoEdu", управляет работой ЦМ в различных режимах СЗМ-эксперимента, осуществляет сбор, обработку и вывод данных в виде двумерных графиков, реализует многообразие двумерных и квазитрехмерных представлений СЗМ-изображений. В ПО "NanoEdu" реализован интуитивно понятный, дружественный интерфейс с системой подсказок и демороликов для поддержки учебного процесса.
Приборы СЗМ-NE могут быть объединены в локальную сеть. В случае необходимости может быть реализован режим удаленного пользования с использованием стандартного пакета. ПО СЗМ-NE функционирует в среде Windows и в среде Mac OS.
Установка для изготовления зондов
В состав мини-лаборатории входит технологическая установка для изготовления сменных вольфрамовых зондов, укомплектованная приспособлением для формирования заготовок из вольфрамовой проволоки и устройством полуавтоматической перезарядки заточенных зондов (рис.6,7).
Как ручная, так и автоматизированная установки обеспечивают заточку зондов до радиусов закругления вершины менее 100 нм. При изготовлении нанозондов не используются агрессивные или вредные для здоровья химические реактивы, так что применяемая технология абсолютно безопасна.
Области применения мини-лаборатории НАНОЭДЬЮКАТОР
Сейчас в России ведется активная работа по созданию национальной нанотехнологической сети. В связи с этим комплексные учебно-научные мини-лаборатории на базе СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР производства компании НТ-МДТ могут сыграть существенную роль в подготовке квалифицированных кадров в области НТ.
НАНОЭДЬЮКАТОРЫ могут использоваться при организации учебно-исследовательского процесса по большинству тематических направлений в ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008–2010 гг.".
Возможные области применения мини-лабораторий на базе СЗМ-NE:
изучение инструментальных принципов сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и литографии;
диагностика и характеризация металлических, полупроводниковых и диэлектрических наноматериалов и структур;
диагностика и характеризация биообъектов;
наномодификация и нанолитография.
Первый учебно-исследовательский класс, состоящий из пяти приборов СЗМ-NE, начал работать в 2003 учебном году в Нижнем Новгороде на физическом факультете университета.
К настоящему времени компания НТ-МДТ, разработчик СЗМ-NE, оборудовала этим прибором уже около сотни университетов России, из них 35 вузов оснащены СЗМ-комплексами в соответствии с Государственным контрактом по заказу Министерства образования и науки РФ (рис.8, 9).
Имеется также положительный опыт поставки СЗМ-NE в университеты Голландии, Италии, Венгрии, Австралии и другие наноцентры за рубежом.
Литература:
1. Roco M.C. International Strategy for Nanotechnology Research and Development, http//www.nsf.gov/nano
2. Обобщенные данные годового отчета ГК "Роснанотех", "Известия", №97/27622 30.05.2008, с.10.
3. Быков В.А., Васильев В.Н., Голубок А.О. Учебно-исследовательская мини-лаборатория по нанотехнологии на базе сканирующего зондового микроскопа NanoEducator. – Российские нанотехнологии, 2009, № 5–6.
4. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2004. – 143 с.
5. Быков В.А., Голубок А.О., Котов В.В., Сапожников И.Д. Позиционер 3-координатный. Патент №2297078 (2007 г.).
6. Васильев А.А., Голубок А.О., Керпелева С.Ю., Котов В.В., Сапожников И.Д. Датчик локального силового и туннельного взаимодействия в сканирующем зондовом микроскопе. – Научное приборостроение, 2005, т.15, №1, с.62–69.
7. Мартинес-Дуарт Дж.М., Мартин-Палма Р.Дж., Агулло-Реуда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники.– М.: Техносфера, 2007.– 367 с.
Однако для подготовки специалистов в области нанотехнологии необходимо соответствующее обучающее оборудование. В 2005 году на кафедре нанотехнологий и материаловедения СПбГУ ИТМО была разработана концепция комплексной учебно-исследовательской мини-лаборатории по НТ на базе СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР (NE). Впоследствии концепция СЗМ-NE была поддержана Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и Фондом поддержки образования и науки [3]. Разработку, изготовление и выпуск на рынок такого оборудования осуществляет группа компаний: ЗАО "Нанотехнологии МДТ" и ЗАО "Инструменты нанотехнологий" (Зеленоград); ООО "НТ-СПб" (Санкт-Петербург).
В состав учебно-исследовательской мини-лаборатории НАНОЭДЬЮКАТОР входят:
СЗМ-NE, включающий измерительную головку, электронный блок управления, РС и специализированное ПО "NanoEdu";
стойка с пассивной виброзащитой;
комплект зондовых датчиков (7 шт.) в виде картриджей со сменными зондами;
технологическая установка электрохимического изготовления зондов из W-проволоки с технологическими приспособлениями и набором расходных материалов;
приспособление для полуавтоматической замены зондов;
набор тестовых образцов для калибровки прибора;
набор образцов для лабораторных работ;
инструкция пользователя СЗМ-NE;
учебник по основам СЗМ [4];
методическое пособие для выполнения лабораторных работ.
Конкретная спецификация определяется в индивидуальном порядке.
Измерительная головка СЗМ-NE
Основой лаборатории является базовый СЗМ-NE, при создании которого разработчики ориентировались на студенческую аудиторию и учитывали возможную низкую компетентность будущих пользователей.
Для удобства работы в измерительную головку (ИГ) (рис.1) включен цифровой оптический микроскоп (8) с увеличением около 100 крат, связанный с PC по USB-каналу. Для обеспечения взаимодействия между зондом и образцом используется шаговый двигатель (4), приближающий зондовый датчик (2) к поверхности образца, и программный алгоритм, обеспечивающий автоматическую остановку на заданном уровне сближения в момент появления сигнала взаимодействия.
Отличительная особенность ИГ – наличие пьезосканера (1) с большим полем сканирования (до 100 мкм в плоскости X-Y и до 30 мкм в направлении Z) [5] и универсальный зондовый датчик (2) в виде сменного картриджа [6–7] с возможностью простой замены зонда.
ИГ функционирует как в режиме сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), так и в полуконтактном сканирующем силовом режиме (ССМ) без замены зондового датчика. Образец может находиться как в воздухе, так и в капле жидкости, причем для исследования в жидкости не требуется специальной перенастройки ИГ или датчика. (Концепция сменных зондовых датчиков-картриджей с восстанавливаемыми зондами оказалась исключительно продуктивной для учебного процесса.)
Универсальный зондовый датчик
На рис.2 представлен универсальный зондовый датчик-картридж, использующий пьезорезонансный принцип детектирования силового взаимодействия. Переход от туннельного к силовому режиму измерений осуществляется за счет электрических коммутаций, без каких-либо механических перенастроек.
Добротность зондового датчика СЗМ-NE (рис.3а) изменяется в диапазоне 15–30 для разных датчиков. Этого достаточно, чтобы получать СЗМ-изображения поверхности образцов различной природы (металлы, полупроводники, полимеры, биологические клетки, бактерии) в режиме полуконтактной ССМ.
Характер кривой подвода (рис.3б) позволяет оценить крутизну взаимодействия между зондом и образцом, выбрать рабочую точку и оценить амплитуду колебаний зонда.
Пьезосканер
На рис.4 представлен сканер с большим полем сканирования, применяемого в СЗМ-NE [5].
Перемещение столика с образцом (5) вдоль осей X,Y (3), Z (4) в диапазоне 100×100×30 мкм осуществляется под действием управляющего напряжения не более +250 В тремя пьезоэлементами (1) в виде круглых металлических мембран с приклеенными к ним тонкими пьезокерамическими дисками. Пьезоэлементы (1) прижимаются к корпусу сканера с помощью фланцев (2). Корпус сканера заземлен, что обеспечивает безопасность работы даже при снятом корпусе ИГ.
В процессе сканирования осуществляется расчет перемещения с использованием чувствительности конкретного сканера (параметры всех сканеров ранее заносятся в базу данных ПО) и вносится коррекция на нелинейность и взаимовлияние осей.
Электронный блок и программное обеспечение СЗМ-NE
Электронный блок (рис.5) состоит из аналогового (АМ) и цифрового модуля (ЦМ).
Компьютер (РС), оснащенный специализированным ПО "NanoEdu", управляет работой ЦМ в различных режимах СЗМ-эксперимента, осуществляет сбор, обработку и вывод данных в виде двумерных графиков, реализует многообразие двумерных и квазитрехмерных представлений СЗМ-изображений. В ПО "NanoEdu" реализован интуитивно понятный, дружественный интерфейс с системой подсказок и демороликов для поддержки учебного процесса.
Приборы СЗМ-NE могут быть объединены в локальную сеть. В случае необходимости может быть реализован режим удаленного пользования с использованием стандартного пакета. ПО СЗМ-NE функционирует в среде Windows и в среде Mac OS.
Установка для изготовления зондов
В состав мини-лаборатории входит технологическая установка для изготовления сменных вольфрамовых зондов, укомплектованная приспособлением для формирования заготовок из вольфрамовой проволоки и устройством полуавтоматической перезарядки заточенных зондов (рис.6,7).
Как ручная, так и автоматизированная установки обеспечивают заточку зондов до радиусов закругления вершины менее 100 нм. При изготовлении нанозондов не используются агрессивные или вредные для здоровья химические реактивы, так что применяемая технология абсолютно безопасна.
Области применения мини-лаборатории НАНОЭДЬЮКАТОР
Сейчас в России ведется активная работа по созданию национальной нанотехнологической сети. В связи с этим комплексные учебно-научные мини-лаборатории на базе СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР производства компании НТ-МДТ могут сыграть существенную роль в подготовке квалифицированных кадров в области НТ.
НАНОЭДЬЮКАТОРЫ могут использоваться при организации учебно-исследовательского процесса по большинству тематических направлений в ФЦП "Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008–2010 гг.".
Возможные области применения мини-лабораторий на базе СЗМ-NE:
изучение инструментальных принципов сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и литографии;
диагностика и характеризация металлических, полупроводниковых и диэлектрических наноматериалов и структур;
диагностика и характеризация биообъектов;
наномодификация и нанолитография.
Первый учебно-исследовательский класс, состоящий из пяти приборов СЗМ-NE, начал работать в 2003 учебном году в Нижнем Новгороде на физическом факультете университета.
К настоящему времени компания НТ-МДТ, разработчик СЗМ-NE, оборудовала этим прибором уже около сотни университетов России, из них 35 вузов оснащены СЗМ-комплексами в соответствии с Государственным контрактом по заказу Министерства образования и науки РФ (рис.8, 9).
Имеется также положительный опыт поставки СЗМ-NE в университеты Голландии, Италии, Венгрии, Австралии и другие наноцентры за рубежом.
Литература:
1. Roco M.C. International Strategy for Nanotechnology Research and Development, http//www.nsf.gov/nano
2. Обобщенные данные годового отчета ГК "Роснанотех", "Известия", №97/27622 30.05.2008, с.10.
3. Быков В.А., Васильев В.Н., Голубок А.О. Учебно-исследовательская мини-лаборатория по нанотехнологии на базе сканирующего зондового микроскопа NanoEducator. – Российские нанотехнологии, 2009, № 5–6.
4. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. – М.: Техносфера, 2004. – 143 с.
5. Быков В.А., Голубок А.О., Котов В.В., Сапожников И.Д. Позиционер 3-координатный. Патент №2297078 (2007 г.).
6. Васильев А.А., Голубок А.О., Керпелева С.Ю., Котов В.В., Сапожников И.Д. Датчик локального силового и туннельного взаимодействия в сканирующем зондовом микроскопе. – Научное приборостроение, 2005, т.15, №1, с.62–69.
7. Мартинес-Дуарт Дж.М., Мартин-Палма Р.Дж., Агулло-Реуда Ф. Нанотехнологии для микро- и оптоэлектроники.– М.: Техносфера, 2007.– 367 с.
Отзывы читателей
