eng
Одна из проблем, с которой сталкиваются производители и пользователи сканирующих зондовых и электронных микроскопов, а также других приборов для измерения геометрии объектов в нанодиапазоне – сложность калибровки из-за отсутствия стандартизированных наноразмерных мер и эталонов. Российская компания "НАНО-АТТО Метрия" предложила оригинальное решение, основанное на применении пьезокристаллов (см. также статью "Стандарты нано- и пикометрового диапазонов на основе мер перемещения" ("Наноиндустрия", 2015, 5(59)). Об этой разработке рассказал руководитель проекта Петр Николаевич Лускинович.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.61.7.34.36
DOI:10.22184/1993-8578.2015.61.7.34.36
Петр Николаевич, чем обусловлена необходимость создания нового типа эталонов для калибровки зондовых и электронных микроскопов?
В метрологии принято считать, что точность меры должна быть выше требуемой точности измерений хотя бы на порядок. В области нановеличин реализовать этот принцип сложно, а в диапазоне нескольких пикометров пока технически невозможно. К тому же, использование традиционных "статических" наноразмерных эталонов требует решения целого комплекса проблем, связанных с сохранением постоянства их размеров, в частности, предотвращением адсорбции и попадания пыли. Поэтому мы выбрали другой путь: примение "активных" систем – мер перемещения на базе материалов с обратным пьезоэлектрическим эффектом. Мы используем синтетические монокристаллы, например ниобат лития, которые характеризуются большей линейностью, чем пьезокерамика. Геометрические размеры таких кристаллов изменяются пропорционально подаваемому на них электрическому напряжению. Величины этих изменений в зависимости от приложенного напряжения определяются с помощью высокоточных оптических интерферометров. Таким образом, на базе кристаллов ниобата лития без применения нанотехнологий создан новый тип калибровочных мер для нано- и пикометрового диапазонов, которые могут использоваться при калибровке измерительных приборов – сканирующих зондовых и электронных микроскопов, – а также для других задач. Наше изобретение защищено четырьмя патентами.
Насколько существенно влияние внешних условий на величину деформации пьезокристалла?
На величину перемещения не влияют ни состав атмосферы, ни состав отсчетной поверхности, ни магнитные поля. Изменения температуры в несколько градусов Цельсия также сколько-нибудь существенного влияния не оказывают, а большие перепады в современных лабораториях и высокотехнологических производствах исключены.
Как калибруется оптический интерферометр, с помощью которого контролируется величина деформации пьезокристалла и каковы погрешности измерения?
Для калибровки оптического интерферометра используются эталоны Росстандарта. Частота лазерного излучения в наших интерферометрах стабилизируется цезиевыми ячейками, поэтому точность измерения достаточно высока для работы не только в нано-, но и в пикометровом диапазоне. При одиночных измерениях уровень шумов составляет 50 пикометров, но при выполнении серий отношение сигнал/шум может быть улучшено на величину, определяемую, как квадратный корень из числа измерений. Время измерений очень мало, поэтому на практике вполне реально выполнить от 100 до 10 тыс. измерений, снизив уровень шумов в 10–100 раз. Например, мы экспериментально показали возможность регистрации перемещений в единицы пикометров. Отмечу, что все используемые методики измерений и обработки результатов стандартны и широко применяются в научной и производственной практике.
Возможна ли интеграция систем калибровки в измерительные приборы?
Мы разработали несколько видов оптических интерферометров, в том числе, миниатюрные, которые могут встраиваться в атомно-силовые микроскопы. Это позволит калибровать работу пьезоприводов кантелеверов и повысить точность измерений.
Каковы перспективы внедрения ваших разработок в метрологическую практику?
Наши меры перемещения получили высокую оценку во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологической службы (ВНИИМС), и есть предпосылки к тому, что они приобретут статус государственных эталонов. Участие в международных выставках и конференциях в Европе, Азии, Америке показало, что интерес к нашей разработке велик и у компаний-производителей приборов, и у образовательных институтов, и у метрологических организаций. В частности, мы провели предварительные тесты в немецком метрологическом институте PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) и представили совместные доклады на нескольких конференциях. В дальнейшем рассчитываем на широкое внедрение наших мер перемещения за рубежом, так как надежные и простые в эксплуатации эталоны нано- и пикометровых величин требуются во всех странах, где развиваются нанотехнологии.
Конечно, одно из необходимых условий для внедрения изобретения в практику – подготовка специалистов. Мы организовываем обучающие курсы, причем возможно дистанционное обучение с использованием удаленного управления калибровочной системой. Для студентов проводятся факультативные лекции в МГУ им. М.В.Ломоносова и МИРЭА, поэтому надеемся, что новое поколение специалистов сможет обеспечить высокую точность измерений в нано- и пикометровом диапазонах.
В метрологии принято считать, что точность меры должна быть выше требуемой точности измерений хотя бы на порядок. В области нановеличин реализовать этот принцип сложно, а в диапазоне нескольких пикометров пока технически невозможно. К тому же, использование традиционных "статических" наноразмерных эталонов требует решения целого комплекса проблем, связанных с сохранением постоянства их размеров, в частности, предотвращением адсорбции и попадания пыли. Поэтому мы выбрали другой путь: примение "активных" систем – мер перемещения на базе материалов с обратным пьезоэлектрическим эффектом. Мы используем синтетические монокристаллы, например ниобат лития, которые характеризуются большей линейностью, чем пьезокерамика. Геометрические размеры таких кристаллов изменяются пропорционально подаваемому на них электрическому напряжению. Величины этих изменений в зависимости от приложенного напряжения определяются с помощью высокоточных оптических интерферометров. Таким образом, на базе кристаллов ниобата лития без применения нанотехнологий создан новый тип калибровочных мер для нано- и пикометрового диапазонов, которые могут использоваться при калибровке измерительных приборов – сканирующих зондовых и электронных микроскопов, – а также для других задач. Наше изобретение защищено четырьмя патентами.
Насколько существенно влияние внешних условий на величину деформации пьезокристалла?
На величину перемещения не влияют ни состав атмосферы, ни состав отсчетной поверхности, ни магнитные поля. Изменения температуры в несколько градусов Цельсия также сколько-нибудь существенного влияния не оказывают, а большие перепады в современных лабораториях и высокотехнологических производствах исключены.
Как калибруется оптический интерферометр, с помощью которого контролируется величина деформации пьезокристалла и каковы погрешности измерения?
Для калибровки оптического интерферометра используются эталоны Росстандарта. Частота лазерного излучения в наших интерферометрах стабилизируется цезиевыми ячейками, поэтому точность измерения достаточно высока для работы не только в нано-, но и в пикометровом диапазоне. При одиночных измерениях уровень шумов составляет 50 пикометров, но при выполнении серий отношение сигнал/шум может быть улучшено на величину, определяемую, как квадратный корень из числа измерений. Время измерений очень мало, поэтому на практике вполне реально выполнить от 100 до 10 тыс. измерений, снизив уровень шумов в 10–100 раз. Например, мы экспериментально показали возможность регистрации перемещений в единицы пикометров. Отмечу, что все используемые методики измерений и обработки результатов стандартны и широко применяются в научной и производственной практике.
Возможна ли интеграция систем калибровки в измерительные приборы?
Мы разработали несколько видов оптических интерферометров, в том числе, миниатюрные, которые могут встраиваться в атомно-силовые микроскопы. Это позволит калибровать работу пьезоприводов кантелеверов и повысить точность измерений.
Каковы перспективы внедрения ваших разработок в метрологическую практику?
Наши меры перемещения получили высокую оценку во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологической службы (ВНИИМС), и есть предпосылки к тому, что они приобретут статус государственных эталонов. Участие в международных выставках и конференциях в Европе, Азии, Америке показало, что интерес к нашей разработке велик и у компаний-производителей приборов, и у образовательных институтов, и у метрологических организаций. В частности, мы провели предварительные тесты в немецком метрологическом институте PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) и представили совместные доклады на нескольких конференциях. В дальнейшем рассчитываем на широкое внедрение наших мер перемещения за рубежом, так как надежные и простые в эксплуатации эталоны нано- и пикометровых величин требуются во всех странах, где развиваются нанотехнологии.
Конечно, одно из необходимых условий для внедрения изобретения в практику – подготовка специалистов. Мы организовываем обучающие курсы, причем возможно дистанционное обучение с использованием удаленного управления калибровочной системой. Для студентов проводятся факультативные лекции в МГУ им. М.В.Ломоносова и МИРЭА, поэтому надеемся, что новое поколение специалистов сможет обеспечить высокую точность измерений в нано- и пикометровом диапазонах.
Отзывы читателей
