В.Е. Ютт, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель
науки и техники Российской Федерации
C32
Сергеев А.Г.
Нанометрология: монография / А.Г. Сергеев. <...> Д.И. Менделеева
Всероссийский научно-исследовательский институт по стандартизации и сертификации в машиностроении
Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы
Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений
Всероссийский научно-исследовательский институт релестроения
Всероссийский научно-исследовательский институт сертификации
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений
видеосигнал
высокоэффективная жидкостная хроматография
ВНИИНМАШ
ВНИИМС
ВНИИОФИ
ВНИИР
ВНИИС
ВНИИФТРИ
ВС
ВЭЖХ
ГМС
ГПЭ
ГСИ
ГСО
ГСС
ГТК
ГХ
Государственная метрологическая служба
государственный первичный эталон
Государственная система обеспечения единства
измерений
государственные стандартные образцы
Государственная система стандартов
Государственная телевещательная компания
газовая хроматография
6
Cписок сокращений
ДТП
детектор теплопроводности
ЖХ
жидкостная хроматография
ЗК
зеркальный клин
ИАЦ
ИКС
ИЛАК
информационно-аналитический центр
инфракрасная спектроскопия
Международное сотрудничество по аккредитации
лабораторий
Международная организация по стандартизации
исполнительный элемент
ИСО
ИЭ
КООМЕТ Организация сотрудничества государственных метрологических учреждений стран Центральной и Восточной Европы
КРС
квадрупольная спектроскопия
ЛСМ
ЛФТИ
латерально-силовой микроскоп
Ленинградский физико-технический институт
МКМВ
МВД
МВИ
МКВБ
МО
МОЗМ
Международный комитет мер и весов
Министерство внутренних дел
методика выполнения измерений
Международный комитет мер и весов
метрологическое обеспечение
Международная организация законодательной
метрологии
магниторезонансная силовая микроскопия
молекулярная спектроскопия <...>
Нанометрология_.pdf
А.Г. СЕРГЕЕВ
НАНОМЕТРОЛОГИЯ
Москва • Логос • 2011
Стр.1
УДК 006
ББК 30.10
C32
Реценз енты
С.М. Аракелян, доктор физико-математических наук, профессор
В.Е. Ютт, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель
науки и техники Российской Федерации
C32
Сергеев А.Г.
416 ñ.
Нанометрология: монография / À.Ã. Ñåðãååâ. – Ì.: Ëîãîñ, 2011. –
ISBN 978-5-98704-494-0
Содержит основные сведения по метрологическому обеспечению
наноиндустрии. Рассмотрены становление нанометрологии в XX–
XXI вв. и концепции ее развития. Подробно изложены современные
основы технического обеспечения нанометрологии. Освещены вопросы
нестабильности, точности и неопределенности наноизмерений.
Особое внимание уделено основным метрологическим операциям –
поверке и калибровке. Материал по сканирующей зондовой микроскопии
изложен на основе семи современных стандартов, введенных
в 2008–2009 гг. Описаны организационные принципы нанометрологии,
системы Гостехрегулирования через сеть региональных отделений
вновь созданного Центра метрологического обеспечения
нанотехнологий и отраслевых научно-исследовательских институтов.
Приведен перечень вузов, работающих в сфере наноиндустрии, и
указаны основные направления их исследований в данной области.
Для ученых, инженеров и других специалистов, разрабатывающих
проблемы нанометрологии. Может использоваться в учебном
процессе вузов при подготовке кадров в сфере нанотехнологии, метрологии
и технического регулирования, а также в магистратуре
и аспирантуре в этих научно-технических областях.
УДК 006
ББК 30.10
ISBN 978-5-98704-494-0
© Сергеев À.Ã., 2011
© Ëîãîñ, 2011
Стр.2
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ......................................................................... 5
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................... 9
ГЛАВА 1. СТАНОВЛЕНИЕ НАНОИНДУСТРИИ И КОНЦЕПЦИЯ
РАЗВИТИЯ НАНОМЕТРОЛОГИИ
1.1. Возникновение нанометрологии ................................................15
1.2. Нанометрология за рубежом .......................................................22
1.3. Положение России в сфере наноиндустрии ..............................26
1.4. Концепция развития нанометрологии .......................................34
ГЛАВА 2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАНОМЕТРОЛОГИИ
2.1. Методы и средства интерференционных измерений ................42
2.2. Использование принципов микроскопии в наноизмерениях ..51
2.2.1. Оптическая микроскопия .................................................51
2.2.2. Электронная микроскопия ...............................................59
2.3. Сканирующая зондовая микроскопия .......................................75
2.3.1. Виды сканирующей зондовой микроскопии ...................75
2.3.2. Сканирующий туннельный микроскоп ...........................77
2.3.3. Атомно-силовой микроскоп ............................................92
2.4. Разновидности ближнепольной микроскопии ........................112
2.5. Спектроскопия в нанометрологии ...........................................125
2.5.1. Общие сведения ...............................................................125
2.5.2. Атомный спектральный метод ........................................132
2.5.3. Молекулярные методы спектроскопии ..........................152
2.5.4. Радиоспектроскопия .......................................................162
2.5.5. Ядерные методы спектроскопии ....................................167
2.5.6. Электронная спектроскопия ...........................................170
2.5.7. Рентгеноспектроскопия ..................................................174
2.5.8. Лазерная спектроскопия .................................................180
2.6. Хроматография в наноизмерениях ...........................................182
2.6.1. История и классификация методов хроматографии .....182
2.6.2. Жидкостная хроматография ...........................................189
2.6.3. Газовая хроматография ...................................................193
2.7. Сравнительный анализ технических средств
нанометрологии ........................................................................197
ГЛАВА 3. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ, ТОЧНОСТЬ И
НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ НАНОИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Основные положения ................................................................213
3.2. Измерение линейных размеров рельефных наноструктур ......216
3.3. Точность измерения линейных наноразмеров ........................223
3.4. Погрешности измерения длины волны и частоты лазера .......230
3.5. Нестабильность мощности излучения лазеров ........................236
3.6. Разрешающая способность растрового электронного
микроскопа ...............................................................................238
3.7. Оценка расходимости лазерного излучения ............................240
3.8. Особенности наноизмерений в АСМ-режиме .........................243
Стр.3
4
Оглавление
3.9. Введение концепции неопределенности ...............................248
3.10. Погрешность и неопределенность ..........................................253
3.11. Этапы оценивания погрешностей и неопределенностей ......257
3.12. Пример вычисления погрешности эталона единицы длины
(ïî данным ÂÍÈÈÌ) .............................................................263
3.13. Определение содержания элементов методами атомной
спектроскопии по ГОСТ Р 51309–99 .....................................267
3.14. Оценка неопределенности значений стандартных
образцов ...................................................................................272
ГЛАВА 4. ПОВЕРКА И КАЛИБРОВКА В СФЕРЕ НАНОМЕТРОЛОГИИ
4.1. Общие сведения ........................................................................279
4.2. Рельефные меры для нанометрового диапазона .....................290
4.2.1. Классификация тест-объектов ........................................290
4.2.2. Поверка рельефной меры ................................................296
4.2.3. Калибровка рельефной меры ..........................................307
4.3. Измерительные растровые электронные микроскопы ...........312
4.3.1. Поверка растровых микроскопов ...................................312
4.3.2. Стандартная калибровка растровых микроскопов ........316
4.3.3. Калибровка растровых микроскопов по двум
координатам ....................................................................................318
4.4. Атомно-силовые измерительные зондовые микроскопы ...... 321
4.4.1. Поверка атомно-силовых микроскопов .........................321
4.4.2. Калибровка атомно-силовых микроскопов ...................325
4.4.3. Калибровка атомно-силовых микроскопов
по трем координатам .......................................................329
4.5. Обеспечение единства измерений в лазерной технике,
спектроскопии и хроматографии .............................................334
4.5.1. Обеспечение единства измерений параметров
лазерного излучения .................................................................334
4.5.2. Поверка и калибровка спектрометров ...........................336
4.5.3. Поверка газовых хроматографов ....................................341
4.5.4. Поверка жидкостных хроматографов .............................348
4.5.5. Контроль качества приготовления проб для
химического анализа ................................................................351
ГЛАВА 5. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ НАНОМЕТРОЛОГИИ
5.1. Основные положения .................................................................355
5.2. Стандартизация и сертификация в наноиндустрии .................364
5.3. Цели и задачи регионального отделения ЦМО ........................368
5.4. Управление деятельностью регионального отделения ЦМО ..369
5.5. Направления работ в области нанометрологии ........................376
5.6. Организация исследований и кадровое обеспечение
наноиндустрии ..........................................................................378
5.7. Проблемы и задачи нанометрологии ........................................386
ÏÐÈËÎÆÅÍÈÅ.........................................................................................397
ЛИТЕРАТУРА ...........................................................................................409
Стр.4