eng
Выпуск #6/2012
Г.Мешков, О.Синицына, Д.Яминский, И.Яминский
Динамическая измерительная мера "Нанометр"
Динамическая измерительная мера "Нанометр"
Просмотры: 3491
Представлено решение динамической измерительной меры нанометра в виде пьезокерамической пластины. Измерительная мера может применяться для калибровки сканирующих зондовых микроскопов, что особенно важно при измерении и анализе данных биомедицинских измерений – изображений белков, комплексов ДНК с белками, вирусных частиц, фрагментов клеток, биомаркеров.
Теги: biomacromolecules biomedicine bionanoscopy nanometer standard proteins scanning probe microscopy viruses белки биомакромолекулы биомедицина бионаноскопия вирусы сканирующая зондовая микроскопия эталон нанометра
Нанометр как мера длины
Для создания эталона нанометра необходимо промежуток времени, который затрачивается светом на прохождение 1 м поделить на миллиард. Тогда нанометр – это расстояние, которое проходит свет за 1/299792458000000000 с. Если измерять нанометр с точностью хотя бы в 1%, промежуток времени придется определять с ошибкой не более, чем 3∙10-20 с.
В настоящее время метрологические центры США, Германии и Франции имеют эталоны на основе цезиевых фонтанов, и с использованием этой сложной и прецизионной аппаратуры ведут работы над стандартами частоты двух типов: с использованием "задержанных" ионов и на основе оптических систем.
Оценки показывают, что применяя такую аппаратуру погрешность измерений можно уменьшить до 1∙10-19. Это позволяет измерить нанометр с точностью в 3%.
Нанотехнологии для создания новой продукции
Нанотехнологии – это искусство создавать новую продукцию, размеры которой находятся в нанометровом диапазоне. Чтобы заниматься ее производством, важно научиться хорошо измерять нанометры, причем поскольку нанотехнологии воплощаются в производстве продукции нанометрового масштаба, нужно подумать и о точных измерениях нанометра. Нанотехнологии, успешно работающие в живой природе и сформировавшиеся за миллионы лет эволюции, к размерам "относятся" очень серьезно. Так, сборка ряда белков осуществляется с точностью, превышающей 0,1 нм. Можно сказать, что многие процессы молекулярного узнавания в биологических системах построены на весьма точном взаимном расположении атомов и молекул. Например, геометрия антител – белковых молекул – позволяет обнаруживать чужеродные частицы – антигены, являющиеся дополнительными к таким частицам. Антиген и антитело при объединении образуют новый макромолекулярный комплекс без лишних "зазоров". Подобных примеров в живой природе очень много. Хорошо изученный вирус табачной мозаики представляет собой молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК) с окружающей ее белковой оболочкой в виде спирали и имеет форму продолговатой палочки диаметром 18 нм и длиной около 300 нм (рис.1).
Простой метод изготовления измерительной меры "нанометр"
Для разработанного авторами метода изготовления эталона в 1 нм [1–3] понадобятся стабильный источник напряжения, пластинка из пьезокерамики с электродами, соединительные провода. Ключевой элемент – пьезокерамическая пластинка, изготавливаемая, например, в виде шайбы из цирконата–титаната свинца. На противоположные торцы шайбы наносятся металлические электроды. Для работы подходит шайба размером в однокопеечную монету. Если такое изделие поместить в электрическое поле, его размеры изменятся. Происходит это в результате обратного пьезоэффекта. (Прямой пьезоэффект проявляется в возникновении электрической разности потенциалов на электродах пластинки, если ее подвергнуть механическому воздействию – сжатию или растяжению. Оба эффекта были обнаружены Джексом и Пьером Кюри в 1870 году.)
Правило возникновения обратного пьезоэффекта очень простое. Изменение размеров пьезопластиники ΔD прямо пропорционально приложенному напряжению ΔU:
ΔD = d33ΔU ,
где d33 – пьезоэлектрический модуль (коэффициент пропорциональности). Две подстрочные цифры показывают, что в общем случае напряжение можно прикладывать по одному из трех направлений (вдоль осей X, Y, Z), а изменение размеров измерять по любому другому направлению. В рассматриваемом случае направление электрического поля совпадает с перемещением, поэтому используются две одинаковые цифры – d33. Типичное значение пьезомодуля – около 200∙10-12 м/В. Если к электродам приложить напряжение в 5 В, изменение размеров пластинки составит 1 нм. Следует заметить, что оно не зависит от толщины самой пластинки. Это очень важно, ибо, создавая эталон длины, не следует думать о длине измерительной меры (толщине пластинки). В результате для измерительной меры нанометра можно сформулировать:
Нанометр – это расстояние, на которое изменяется размер пьезокерамической пластинки с пьезоэлектрическим модулем d33 = 200∙10-12 м/В (200∙10-12 Кл/Н) при приложении к ее электродам напряжения в 5 В.
Маленькие хитрости при изготовлении измерительной меры "нанометр"
Если используется пластинка с пьезоэлектрическим модулем d33 = 200∙10-12 Кл/Н, после приложения напряжения в 5 В размер ее будет изменяться на 1 нм. Между приложениями напряжений очень важно не забывать обкладки пластинки замыкать проводником. Пьезокерамика – очень хороший изолятор, поэтому при приложении электрического напряжения к обкладкам единожды оно будет держаться достаточно долго (часы и даже сутки). Все зависит от влажности воздуха и чистоты поверхности пластинки. Замыкая электроды, удается позволить заряду стечь на противоположную обкладку. Тогда разность потенциалов становится равной нулю.
Еще одна важная деталь. Электрическое напряжение можно прикладывать так, чтобы пьезопластинка становилась толще, или наоборот, чтобы она делалась тоньше, т.е. источник напряжения можно подключать плюсом на верхний или на нижний электроды. В обоих случаях пластинка будет менять свой размер на 1 нм. Существует ли разница в том, как прикладывать напряжение? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо помнить, что пьезокерамику изготавливают из порошка, спекаемого при высокой температуре и часто под давлением. Получаемый твердый материал на микроскопическом уровне состоит из отдельных электрически нейтральных зерен. В каждом из них положительные заряды слегка смещены от отрицательных. Это приводит к тому, что в зерне возникает дипольный момент. Попадая в электрическое поле, оно за счет кулоновских сил (электростатического взаимодействия) будет растягиваться или сжиматься. В свежеспеченной пьезокерамике дипольные моменты отдельных зерен имеют случайное направление. Для каждого зерна в ней наблюдается обратный пьезоэффект, а направленное перемещение в целом отсутствует.
Чтобы возникло направленное перемещение, дипольные моменты отдельных зерен следует ориентировать одинаковым образом. Для этого пьезокерамика помещается в электрическое поле напряженностью 1000 В/мм и более и нагревается почти до 300°С. Этот процесс называется поляризацией. Перегревать керамику нельзя, потому что при температуре точки Кюри пьезоэффект пропадает.
Если поляризация проведена успешно, все зерна имеют направленные в одну сторону дипольные моменты. Поляризующее поле растягивает керамику. Если приложить электрическое поле противоположного направления, будет происходить деполяризация. Здесь и кроется ответ на вопрос, как надо прикладывать напряжение в эталоне нанометра, чтобы керамика растягивалась или сжималась. Правильный ответ: если стремиться избежать возможную деполяризацию керамики, напряжение должно прикладываться таким образом, чтобы происходило только удлинение пластинки [1]. В сконструированном эталоне напряженность электрического поля на много порядков меньше, чем при начальной поляризации. По этой причине деполяризация таким полем практически ничтожна. Однако если необходимо создать очень хороший эталон нанометра со сроком службы в многие годы, электрическое напряжение надо прикладывать по поляризации – рост напряжения увеличивает толщину пьезопластинки.
Поверка измерительной меры "нанометр"
У пьезокерамики существует ряд недостатков: нелинейность, гистерезис, крип (ползучесть). Все они наблюдаются в пьезоманипуляторах, широко используемых в различных устройствах, например, в атомно-силовых микроскопах (АСМ) для сканирования поверхности образца зондом. Нелинейность проявляется в отклонении от простой формулы ΔD = d33ΔU. Гистерезис обусловлен памятью материала и предысторией прикладываемого напряжения. В результате при одном и том же напряжении удлинение пластинки может быть разным. Вследствие крипа оно отстает во времени от приложенного напряжения. Эти эффекты приводят в АСМ к погрешности позиционирования на уровне нескольких процентов от размера изображения. Они практически не снижают точность эталона нанометра, если к электродам эталона периодически прикладываются только два электрических напряжения – 5 и 0 В.
На практике малые перемещения измеряются оптическими интерферометрами. Достигаемая точность обычно находится на уровне 0,02 нм. Подходящим для таких измерений является комплекс из сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), совмещенного с интерференционным микроскопом [4].
Результаты измерений динамической измерительной меры проводились на СЗМ "ФемтоСкан" (рис.2), утвержденном Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как тип средств измерений (Свидетельство №RU.C.27.004.A №27293 от 03.08.2012 г.). При начальных измерениях погрешность составила около 10%. Полученные экспериментальные данные приведены на рис.3. Наблюдаемый перепад высот – 1 нм. Анализ показывает, что основные шумы вносит сам измерительный прибор. Уровень шумов практически одинаковый как при измерениях динамической меры нанометра, так и при измерениях на поверхности неподвижного образца, например, слюды или графита. Практически аналогичные результаты получены на мультимодовом СЗМ "Наноскоп3А". Важно отметить, что для оценки собственных шумов измерительной меры необходимо проводить дополнительные исследования с помощью специальной измерительной системы на базе АСМ с предельно низким уровнем собственного шума.
Литература
Патент № 2386989, 20.04.2010. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов./ Д.И.Яминский, И.В.Яминский. Бюл. №11. Заявка №2007111324 от 10.10.2008.
Яминский Д., Яминский И. Эталон нанометра. – Наноиндустрия, 2009, №4, с.44–45.
Яминский И.В. Линейка длиной в один нанометр. – Квант, 2009, №4, с.4–6.
Меньшиков Е., Яминский И. Атомно-силовой интерференционный микроскоп. – Наноиндустрия, 2009, №1, с.26–28.
Для создания эталона нанометра необходимо промежуток времени, который затрачивается светом на прохождение 1 м поделить на миллиард. Тогда нанометр – это расстояние, которое проходит свет за 1/299792458000000000 с. Если измерять нанометр с точностью хотя бы в 1%, промежуток времени придется определять с ошибкой не более, чем 3∙10-20 с.
В настоящее время метрологические центры США, Германии и Франции имеют эталоны на основе цезиевых фонтанов, и с использованием этой сложной и прецизионной аппаратуры ведут работы над стандартами частоты двух типов: с использованием "задержанных" ионов и на основе оптических систем.
Оценки показывают, что применяя такую аппаратуру погрешность измерений можно уменьшить до 1∙10-19. Это позволяет измерить нанометр с точностью в 3%.
Нанотехнологии для создания новой продукции
Нанотехнологии – это искусство создавать новую продукцию, размеры которой находятся в нанометровом диапазоне. Чтобы заниматься ее производством, важно научиться хорошо измерять нанометры, причем поскольку нанотехнологии воплощаются в производстве продукции нанометрового масштаба, нужно подумать и о точных измерениях нанометра. Нанотехнологии, успешно работающие в живой природе и сформировавшиеся за миллионы лет эволюции, к размерам "относятся" очень серьезно. Так, сборка ряда белков осуществляется с точностью, превышающей 0,1 нм. Можно сказать, что многие процессы молекулярного узнавания в биологических системах построены на весьма точном взаимном расположении атомов и молекул. Например, геометрия антител – белковых молекул – позволяет обнаруживать чужеродные частицы – антигены, являющиеся дополнительными к таким частицам. Антиген и антитело при объединении образуют новый макромолекулярный комплекс без лишних "зазоров". Подобных примеров в живой природе очень много. Хорошо изученный вирус табачной мозаики представляет собой молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК) с окружающей ее белковой оболочкой в виде спирали и имеет форму продолговатой палочки диаметром 18 нм и длиной около 300 нм (рис.1).
Простой метод изготовления измерительной меры "нанометр"
Для разработанного авторами метода изготовления эталона в 1 нм [1–3] понадобятся стабильный источник напряжения, пластинка из пьезокерамики с электродами, соединительные провода. Ключевой элемент – пьезокерамическая пластинка, изготавливаемая, например, в виде шайбы из цирконата–титаната свинца. На противоположные торцы шайбы наносятся металлические электроды. Для работы подходит шайба размером в однокопеечную монету. Если такое изделие поместить в электрическое поле, его размеры изменятся. Происходит это в результате обратного пьезоэффекта. (Прямой пьезоэффект проявляется в возникновении электрической разности потенциалов на электродах пластинки, если ее подвергнуть механическому воздействию – сжатию или растяжению. Оба эффекта были обнаружены Джексом и Пьером Кюри в 1870 году.)
Правило возникновения обратного пьезоэффекта очень простое. Изменение размеров пьезопластиники ΔD прямо пропорционально приложенному напряжению ΔU:
ΔD = d33ΔU ,
где d33 – пьезоэлектрический модуль (коэффициент пропорциональности). Две подстрочные цифры показывают, что в общем случае напряжение можно прикладывать по одному из трех направлений (вдоль осей X, Y, Z), а изменение размеров измерять по любому другому направлению. В рассматриваемом случае направление электрического поля совпадает с перемещением, поэтому используются две одинаковые цифры – d33. Типичное значение пьезомодуля – около 200∙10-12 м/В. Если к электродам приложить напряжение в 5 В, изменение размеров пластинки составит 1 нм. Следует заметить, что оно не зависит от толщины самой пластинки. Это очень важно, ибо, создавая эталон длины, не следует думать о длине измерительной меры (толщине пластинки). В результате для измерительной меры нанометра можно сформулировать:
Нанометр – это расстояние, на которое изменяется размер пьезокерамической пластинки с пьезоэлектрическим модулем d33 = 200∙10-12 м/В (200∙10-12 Кл/Н) при приложении к ее электродам напряжения в 5 В.
Маленькие хитрости при изготовлении измерительной меры "нанометр"
Если используется пластинка с пьезоэлектрическим модулем d33 = 200∙10-12 Кл/Н, после приложения напряжения в 5 В размер ее будет изменяться на 1 нм. Между приложениями напряжений очень важно не забывать обкладки пластинки замыкать проводником. Пьезокерамика – очень хороший изолятор, поэтому при приложении электрического напряжения к обкладкам единожды оно будет держаться достаточно долго (часы и даже сутки). Все зависит от влажности воздуха и чистоты поверхности пластинки. Замыкая электроды, удается позволить заряду стечь на противоположную обкладку. Тогда разность потенциалов становится равной нулю.
Еще одна важная деталь. Электрическое напряжение можно прикладывать так, чтобы пьезопластинка становилась толще, или наоборот, чтобы она делалась тоньше, т.е. источник напряжения можно подключать плюсом на верхний или на нижний электроды. В обоих случаях пластинка будет менять свой размер на 1 нм. Существует ли разница в том, как прикладывать напряжение? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо помнить, что пьезокерамику изготавливают из порошка, спекаемого при высокой температуре и часто под давлением. Получаемый твердый материал на микроскопическом уровне состоит из отдельных электрически нейтральных зерен. В каждом из них положительные заряды слегка смещены от отрицательных. Это приводит к тому, что в зерне возникает дипольный момент. Попадая в электрическое поле, оно за счет кулоновских сил (электростатического взаимодействия) будет растягиваться или сжиматься. В свежеспеченной пьезокерамике дипольные моменты отдельных зерен имеют случайное направление. Для каждого зерна в ней наблюдается обратный пьезоэффект, а направленное перемещение в целом отсутствует.
Чтобы возникло направленное перемещение, дипольные моменты отдельных зерен следует ориентировать одинаковым образом. Для этого пьезокерамика помещается в электрическое поле напряженностью 1000 В/мм и более и нагревается почти до 300°С. Этот процесс называется поляризацией. Перегревать керамику нельзя, потому что при температуре точки Кюри пьезоэффект пропадает.
Если поляризация проведена успешно, все зерна имеют направленные в одну сторону дипольные моменты. Поляризующее поле растягивает керамику. Если приложить электрическое поле противоположного направления, будет происходить деполяризация. Здесь и кроется ответ на вопрос, как надо прикладывать напряжение в эталоне нанометра, чтобы керамика растягивалась или сжималась. Правильный ответ: если стремиться избежать возможную деполяризацию керамики, напряжение должно прикладываться таким образом, чтобы происходило только удлинение пластинки [1]. В сконструированном эталоне напряженность электрического поля на много порядков меньше, чем при начальной поляризации. По этой причине деполяризация таким полем практически ничтожна. Однако если необходимо создать очень хороший эталон нанометра со сроком службы в многие годы, электрическое напряжение надо прикладывать по поляризации – рост напряжения увеличивает толщину пьезопластинки.
Поверка измерительной меры "нанометр"
У пьезокерамики существует ряд недостатков: нелинейность, гистерезис, крип (ползучесть). Все они наблюдаются в пьезоманипуляторах, широко используемых в различных устройствах, например, в атомно-силовых микроскопах (АСМ) для сканирования поверхности образца зондом. Нелинейность проявляется в отклонении от простой формулы ΔD = d33ΔU. Гистерезис обусловлен памятью материала и предысторией прикладываемого напряжения. В результате при одном и том же напряжении удлинение пластинки может быть разным. Вследствие крипа оно отстает во времени от приложенного напряжения. Эти эффекты приводят в АСМ к погрешности позиционирования на уровне нескольких процентов от размера изображения. Они практически не снижают точность эталона нанометра, если к электродам эталона периодически прикладываются только два электрических напряжения – 5 и 0 В.
На практике малые перемещения измеряются оптическими интерферометрами. Достигаемая точность обычно находится на уровне 0,02 нм. Подходящим для таких измерений является комплекс из сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), совмещенного с интерференционным микроскопом [4].
Результаты измерений динамической измерительной меры проводились на СЗМ "ФемтоСкан" (рис.2), утвержденном Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии как тип средств измерений (Свидетельство №RU.C.27.004.A №27293 от 03.08.2012 г.). При начальных измерениях погрешность составила около 10%. Полученные экспериментальные данные приведены на рис.3. Наблюдаемый перепад высот – 1 нм. Анализ показывает, что основные шумы вносит сам измерительный прибор. Уровень шумов практически одинаковый как при измерениях динамической меры нанометра, так и при измерениях на поверхности неподвижного образца, например, слюды или графита. Практически аналогичные результаты получены на мультимодовом СЗМ "Наноскоп3А". Важно отметить, что для оценки собственных шумов измерительной меры необходимо проводить дополнительные исследования с помощью специальной измерительной системы на базе АСМ с предельно низким уровнем собственного шума.
Литература
Патент № 2386989, 20.04.2010. Калибровочный эталон для профилометров и сканирующих зондовых микроскопов./ Д.И.Яминский, И.В.Яминский. Бюл. №11. Заявка №2007111324 от 10.10.2008.
Яминский Д., Яминский И. Эталон нанометра. – Наноиндустрия, 2009, №4, с.44–45.
Яминский И.В. Линейка длиной в один нанометр. – Квант, 2009, №4, с.4–6.
Меньшиков Е., Яминский И. Атомно-силовой интерференционный микроскоп. – Наноиндустрия, 2009, №1, с.26–28.
Отзывы читателей
