close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

(PDF) - Nanoattometria

код для вставкиСкачать
НАНОПРИБОРЫ
П.Н. Лускинович
ООО "НАНО-АТТО Метрия", г. Москва, Россия
Аннотация: представлены результаты разработок в области нанометрологии, светодиодов, измерительных
и нанотехнологических установок.
Ключевые слова: нанометр, интерферометр, оптический волновод, нанотехнологическая установка.
1. СТАНДАРТЫ НАНО- И
ПИКОМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
Опережающее развитие нанометрологии на
основе
нанотехнологии
противоречиво.
Мгновенное покрытие любой поверхности слоем
адсорбированных газов, запыление нано- и
микрочастицами, физико-химические процессы на
поверхности изменяют её геометрические размеры
и свойства. Все это сдерживает традиционные
разработки на основе изготовления стандартов со
статическими
элементами
нанометровых
размеров. Попытки продлить срок службы таких
стандартов в сверхвысоковакуумных установках
все равно недолговечны и исключительно
дорогостоящи.
Поэтому
изготовление
и
применение традиционных статических эталонов
отличающихся от своих первых образцов почти
миллиардным
изменением
размеров
сопровождается резким увеличением технических
проблем, преодоление которых возможно лишь
при качественном изменении стандартов. В
качестве данных стандартов были разработаны
принципиально новые, у которых результаты
измерений
практически
не
зависят
от
характеристик их поверхности. Новые стандарты
основаны на мерах перемещения. Меры
перемещения
изготавливаются
на
основе
монокристаллических материалов с обратным
пьезоэффектом, характеризующихся, в отличие от
обычных поликристаллических, многократно
уменьшенным гистерезисом и крипом. Для
перемещения по различным направлениям
применяют
монокристаллы
с
различным
направлением кристаллографических осей.
Меры перемещения выпускаются в корпусах,
приведенных на рис.1 и в бескорпусном
исполнении для встраивания в измерительные и
приборы и технологические установки.
Рис.1 Корпус меры перемещения, внутри
которого расположен монокристалл,
перемещающий отсчетную поверхность под
воздействием управляющего напряжения
Калибровку мер перемещения осуществляют с
помощью оптических интерферометров или
традиционных
стандартов
субмикронного
диапазона.
Экспериментально
подтверждена
работоспоспособность данных мер перемещения в
нанометровом диапазоне – менее 100 нм и вплоть
до пикометрового диапазона – 3 пикометров.
Графики зависимости величины перемещения
от
величины
управляющего
перемещения
приведены на рис. 2а,б.
a)
80,00
Z = 0,0347nm/V
Z, nm
70,00
2
R = 0,9999
60,00
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
U, V
0,00
0
b) 200,00
200
400
600
800
1000
1200
X, nm
180,00
1400
1600
1800
2000
X = 0,0926nm/V
2
R = 0,9999
160,00
140,00
120,00
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
U, V
0,00
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Рис.2. Графики зависимости величины
перемещения от величины управляющего
напряжения отсчетной поверхности:
а) - в вертикальном и b) - в горизонтальном
направлениях
Управляя
скоростью
перемещения
поверхности мер, можно, измеряя время реакции
измерительной системы (сканирующих зондовых
микроскопов), определять их быстродействие.
Следует отметить, что результаты калибровки
измерительных
систем
с
помощью
мер
перемещения не зависят от состояния поверхности
отсчетной поверхности меры и формы зонда.
Данная особенность многократно расширяет
области применения, позволяя калибровать
измерительные установки в нано- и пикометровом
диапазонах работающие вне вакуумных установок
(в обычных лабораторных условиях).
2. ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ
Измерение
перемещения
в
нанои
пикометровом
диапазонах
производится
оптическими
интерферометрами.
Неопределенность
измерения
определяется
отношением сигнал/шум и стабильностью длины
волны излучения. Для повышения срока службы
интерферометров и повышенной стабильности
длины волны излучения были разработаны
следящие системы на основе полупроводниковых
лазеров. Срок службы полупроводниковых
лазеров 10-кратно превышает срок службы
метрологических гелий -неоновых лазеров при
почти
одинаковой
стабильности
частоты
излучения.
Фотография оптического интерферометра со
стабилизацией длины волны цезиевой ячейкой
приведена на рис.3.
Рис.3. Фотография оптического
интерферометра на основе полупроводникового
лазера со стабилизацией частоты излучения
цезиевой ячейкой
Данные интерферометры можно применять в
качестве
измерителей
перемещения
манипуляторов
нанометрового
диапазона,
сенсоров колебаний и т.д.
3. БЛИЖНЕПОЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ
МИКРОСКОПЫ НАНОМЕТРОВОГО
ДИАПАЗОНА
Основным
фактором,
сдерживающим
применение оптических микроскопов, является
ограниченная
возможность
фокусировки
излучения линзовыми системами (критерий
Рэлея). Однако применение металло-оптических
волноводов
позволяет
преодолеть
данное
ограничение
и
сфокусировать
оптическое
излучение до величин, соразмеримых с величиной
скин эффекта в металле и менее, что в десятки раз
меньше длины волны оптического излучения.
Применение
метало-оптических
световодов
обеспечивает
проведение
измерений
с
латеральной разрешающей способностью вплоть
до
единиц
нанометров.
Пространственная
разрешающая способность по вертикали при
применении оптических интерферометров может
составлять доли нанометра. Данные микроскопы
могут не уступать, а по скорости измерения, сроку
работы зонда и разнообразию технологических
воздействий
превосходить
атомно-силовые.
Фотография
ближнепольного
зондового
оптического микроскопа представлена на рис.5.
Разработан
также
ряд
компактных
интерферометров
с
волоконно-оптическими
зондами,
которые
можно
встраивать
в
измерительную и технологическую аппаратуру.
Фотография оптического модуля волоконнооптического интерферометра приведена на рис.4.
62,5 mm Разъем волоконного световода Оптическое излучение Рис.4. Фотография оптического модуля
интерферометра, соединяемого волоконным
световодом с источником лазерного излучения
Измеряя
периодически
повторяющиеся
перемещения можно многократно увеличить
соотношение сигнал/ шум, что позволяет измерять
перемещения вплоть до единиц пикометров и
менее.
Рис.6. Фотография ближнепольного зондового
оптического микроскопа с металлооптическим
коническим световодом и волоконно оптическим
лазерным интерферометром
4. ТУННЕЛЬНЫЕ СВЕТОДИОДЫ
Светодиоды
становятся
основными
источниками освещения. Однако почти половина
генерируемого внутри светодиодного кристалла
излучения не выводится наружу, что ограничивает
их эффективность. С целью увеличения
эффективности вывода излучения применены
линзы из материала с повышенным показателем
преломления
и
между
светоизлучающей
поверхностью светодиода и основанием линзы
создали туннельно-прозрачный (толщиной в
несколько десятков нанометров) для оптического
излучения слой. Кроме пропускания излучения
данный слой изготавливается из эластичного
материала,
что
позволяет
уменьшить
механические напряжения в нем, возникающие изза различных коэффициентов термического
расширения.
В
результате
эффективность
излучения возрастала на 40-60%. Фотография
светодиодов изготовленных по традиционной
технологии с полимерной линзой и с туннельнопрозрачным слоем, передающим излучение в
линзу с повышенным показателем преломления
приведена на рис.6.
Рис.6. Фотография излучения светодиодов,
изготовленных по традиционной технологии с
полимерной линзой (слева) и с туннельнопрозрачным слоем, передающим излучение в линзу
с повышенным показателем преломления (справа).
Ток накачки последовательно соединенных
светодиодов одинаковый.
5. ЗОНДОВЫЕ НАНОПИНЦЕТЫ
Расположение сходящихся электродов на
поверхности конического световода позволяет при
подаче напряжения на электроды создавать
высокие градиенты электрического поля.
Расстояние между вершинами электродов
может составлять несколько нанометров, что
позволяет зафиксировать в межэлектродном
пространстве частицы нанометровых размеров.
Таким образом, включая электрическое поле,
можно захватывать нанообъекты из одного места
подложки,
перемещать
их
с
помощью
наноманипулятора и осаждать на другом месте
подложки.
Стимуляцию процессов осаждения можно
осуществлять путем приложения электрического
поля, межатомными силами и пондеромоторным
световым давлением.
Сочетание
ближнепольного
оптического
микроскопа
с
зондовым
нанопинцетом
обеспечивает возможности измерения профиля
характеристик
поверхности
и
проведения
нанотехнологических
воздействий
для
формирования наноэлементов.
6. НАНОИНЖЕКТОРЫ
Для
многократного
увеличения
производительности при проведении процессов
локального осаждения возможно создание
устройств, в которых расплавляется осаждаемый
материал
и
далее,
под
воздействием
приложенного электрического поля, вытягивается
в виде заостренного конуса с радиусом вершины
вплоть до нескольких нанометров и далее в
режиме полевого испарения переносится к
подложке, на которую локально осаждается.
Заключение. Автор благодарит сотрудников,
принимавших активное участие в проведении
данных разработок:
В.А. Жаботинского, за участие в разработке
новых материалов и организационную помощь;
А.Е. Шавыкина, за исследование различных
материалов и конструкций наностандартов,
участие в разработке установки локального
осаждения;
А.В. Дикова, за разработку конструкций
сборку и испытания интерферометров;
Ю.Э. Поздеева, за разработку электронных
систем управления;
О.А. Николаева, за разработку программного
обеспечения;
Д.А. Парушкина,
за
изготовление
экспериментальных конструкций и участия в
испытаниях;
В.Ф. Коломейцева, за проведение ряда
технологических процессов при изготовлении
экспериментальных конструкций.
ЛИТЕРАТУРА
1. T. Dziomba, P.N. Luskinovich, V.A. Zhabotinsky,
P. Krebs, H.-U. Danzebrink, “Characterization of
novel active dynamic SPM standards”, NanoScale
2013, C 22.
2. P.N. Luskinovich, V.A. Zhabotinsky, Instruments
for calibrating scanning probe and electronic
microscopes at the nanoscale with sub-nanometric
uncertainty”, ICNT 2012, International conference
on Nanoscience+Technology,528.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа