Nanometroloji - Nanometrology
Nanometrology üst disiplinidir metroloji bilimi ile ilgili, ölçüm de nano ölçekli seviyesinde. Nano üretimde yüksek doğruluk ve güvenilirlik derecesine sahip nanomalzemeler ve cihazlar üretmek için nanometroloji çok önemli bir role sahiptir .
Bu alandaki bir zorluk, nanometre ölçekli malzeme ve teknolojilere dayanan yeni nesil ileri üretimin ihtiyaçlarını karşılamak için yeni ölçüm teknikleri ve standartları geliştirmek veya yaratmaktır. Yeni numune yapılarının ve özelliklerinin ölçülmesi ve karakterizasyonu için ihtiyaçlar, mevcut ölçüm biliminin yeteneklerini çok aşmaktadır. Gelişmekte olan ABD nanoteknoloji endüstrilerinde beklenen ilerlemeler, daha önce tasavvur edilenden daha yüksek çözünürlük ve doğruluk ile devrim niteliğinde metroloji gerektirecektir.
Giriş
Nanoteknolojide kritik boyutların kontrolü en önemli faktördür. Günümüzde nanometroloji, büyük ölçüde yarı iletken teknolojisindeki gelişmelere dayanmaktadır . Nanometroloji, nano ölçekli düzeyde ölçüm bilimidir . Nanometre veya nm, 10^-9 m'ye eşittir. Nanoteknolojide nesnelerin boyutlarının doğru kontrolü önemlidir. Nanosistemlerin tipik boyutları 10 nm ile birkaç yüz nm arasında değişmektedir ve bu tür sistemlerin imalatında 0.1 nm'ye kadar ölçüm yapılması gerekmektedir.
Nano ölçekte, küçük boyutlar nedeniyle çeşitli yeni fiziksel olaylar gözlemlenebilir. Örneğin, kristal boyutu elektronun ortalama serbest yolundan daha küçük olduğunda, kristalin iletkenliği değişir. Başka bir örnek, sistemdeki gerilimlerin ayrıklaştırılmasıdır. Bu fenomenleri nanosistemlerin mühendisliğine uygulamak ve bunları üretmek için fiziksel parametreleri ölçmek önemli hale geliyor. Uzunluk veya boyut, kuvvet, kütle, elektrik ve diğer özelliklerin ölçümü Nanometrology'ye dahildir. Sorun, bunların güvenilirlik ve doğrulukla nasıl ölçüleceğidir. Makro sistemler için kullanılan ölçüm teknikleri, nanosistemlerdeki parametrelerin ölçümü için doğrudan kullanılamaz. Nanoyapılar ve nanomalzemeler için parametreleri ölçmek veya belirlemek için kullanılabilecek fiziksel olaylara dayalı çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Popüler olanlardan bazıları, X-Işını kırınımı , transmisyon elektron mikroskobu , Yüksek Çözünürlüklü İletim Elektron Mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu , taramalı elektron mikroskobu , alan emisyon taramalı elektron mikroskobu ve belirli bir yüzeyi belirlemek için Brunauer, Emmett, Teller yöntemidir.
Nanoteknoloji, sahip olduğu çok sayıda uygulama nedeniyle önemli bir alandır ve daha kesin ölçüm teknikleri ve küresel olarak kabul edilmiş standartlar geliştirmek gerekli hale gelmiştir. Bu nedenle Nanometroloji alanında ilerleme gereklidir.
Gelişme ihtiyaçları
Nanoteknoloji iki dala ayrılabilir. Birincisi , aşağıdan yukarıya imalatı içeren moleküler nanoteknoloji ve ikincisi, nano ölçekte malzeme ve sistemlerin geliştirilmesini ve işlenmesini içeren mühendislik nanoteknolojisidir . İki branş için gerekli olan ölçüm ve imalat araçları ve teknikleri biraz farklıdır.
Ayrıca, Nanometroloji gereksinimleri endüstri ve araştırma kurumları için farklıdır. Araştırmanın nanometrolojisi, esas olarak endüstri için nanometrolojiyi uygulamak zor olduğu için endüstri için olduğundan daha hızlı ilerlemiştir. Araştırma odaklı nanometrolojide çözünürlük önemlidir, oysa endüstriyel nanometrolojide doğruluk çözünürlükten daha önceliklidir . Ayrıca, endüstriyel nanometrolojide zaman maliyetlerinin düşük olması ekonomik nedenlerden dolayı önemlidir, oysa araştırma nanometrolojisi için önemli değildir. Günümüzde mevcut olan çeşitli ölçüm teknikleri, vakum , titreşim ve gürültüsüz ortam gibi kontrollü bir ortam gerektirir . Ayrıca endüstriyel nanometrolojide, ölçümlerin minimum sayıda parametre ile daha nicel olmasını gerektirir.
standartlar
Uluslararası standartlar
Metroloji standartları , kabul edilen bir nedenle yetkili olarak belirlenen nesneler veya fikirlerdir. Sahip oldukları değer ne olursa olsun, standarda dayalı olarak atanmış bir değeri belirlemek veya doğrulamak amacıyla bilinmeyenlerle karşılaştırma için yararlıdır. Bir standart ile diğer bazı ölçüm cihazları arasında ilişki kurmak amacıyla ölçüm karşılaştırmalarının yapılması kalibrasyondur. İdeal standart, belirsizlik olmaksızın bağımsız olarak yeniden üretilebilir. Nanoteknoloji uygulamalarına sahip ürünlerin dünya çapındaki pazarının yakın gelecekte en az birkaç yüz milyar dolar olacağı tahmin edilmektedir. Yakın zamana kadar, nanoteknoloji ile ilgili alan için neredeyse hiçbir uluslararası kabul görmüş standart bulunmamaktadır. Standardizasyon için Uluslararası Organizasyon Nanoteknoloji üzerine TC-229 Teknik Komite geçenlerde terminoloji için birkaç standartlar yayınlamıştır, karakterizasyonu nanomalzemelerin ve nanopartiküller gibi ölçüm araçları kullanılarak AFM , SEM , interferometreleri vb elektrik için ölçümlerin standardizasyonu için bazı standartlar, optoacoustic araçları, gaz adsorpsiyon yöntemleri özellikleri Uluslararası Elektroteknik Komisyonu tarafından yayınlanmıştır . Henüz oluşturulmamış bazı önemli standartlar, ince filmlerin veya tabakaların kalınlığının ölçülmesi için standartlar, yüzey özelliklerinin karakterizasyonu, nano ölçekte kuvvet ölçümü için standartlar, nanoparçacıkların ve nanoyapıların kritik boyutlarının karakterizasyonu için standartlar ve ayrıca fiziksel özelliklerin ölçülmesi için standartlardır. İletkenlik, esneklik vb.
Ulusal standartlar
Nanoteknolojinin gelecekteki önemi nedeniyle, dünyanın dört bir yanındaki ülkeler nanometroloji ve nanoteknoloji için ulusal standartlar oluşturmaya yönelik programlara sahiptir. Bu programlar, ilgili ülkelerin ulusal standart ajansları tarafından yürütülür. Amerika Birleşik Devletleri'nde, Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü , nano ölçekte ölçüm için yeni teknikler geliştirmek için çalışıyor ve ayrıca nanoteknoloji için bazı ulusal standartlar oluşturmuştur. Bu standartlar nanoparçacık karakterizasyonu, Pürüzlülük Karakterizasyonu, büyütme standardı, kalibrasyon standartları vb. içindir.
kalibrasyon
Nano ölçekte hangi hassas aletlerin kalibre edilebileceğine dair numuneler sağlamak zordur. Tekrarlanabilirliğin sağlanması için referans veya kalibrasyon standartları önemlidir. Ancak kalibrasyon için uluslararası standartlar yoktur ve şirket tarafından ekipmanlarıyla birlikte sağlanan kalibrasyon artefaktları yalnızca o ekipmanın kalibrasyonu için iyidir. Bu nedenle, nano ölçekte tekrarlanabilirliği elde edebileceğimiz evrensel bir kalibrasyon artefaktı seçmek zordur. Nano bakım kalibre gibi dış etkenlerin etkisi için alınması gereken süre titreşim , parazit , hareketler neden olduğu termal sürüklenme ve sünme , doğrusal olmayan davranış ve histerezis ve piezoscanner ve önemli sapmalara neden olabilir parazit ve ekipman arasındaki etkileşim gibi iç faktörlerin .
Ölçüm teknikleri
Son 70 yılda nano ölçekte ölçüm yapmak için çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Bunların çoğu, nano ölçekte parçacık etkileşimleri veya kuvvetler üzerinde gözlemlenen bazı fiziksel olaylara dayanmaktadır. En yaygın olarak kullanılan tekniklerden bazıları, Atomik Kuvvet Mikroskobu, X-Işını Kırınım, Taramalı Elektron Mikroskobu, Geçirgenlik Elektron Mikroskobu, Yüksek Çözünürlüklü İletim Elektron Mikroskobu ve Alan Emisyon Taramalı Elektron Mikroskobu'dur.
Atomik kuvvet mikroskobu (AFM) en yaygın ölçüm tekniklerinden biridir. Topolojiyi, tane boyutunu, sürtünme özelliklerini ve farklı kuvvetleri ölçmek için kullanılabilir. Birkaç nanometrelik bir eğrilik yarıçapına sahip keskin uçlu bir silikon konsoldan oluşur. Uç, ölçülecek numune üzerinde bir sonda olarak kullanılır. Numunenin ucu ile yüzeyi arasındaki atomik seviyede etki eden kuvvetler, ucun bükülmesine neden olur ve bu sapma, bir dizi fotodiyota yansıyan bir lazer noktası kullanılarak tespit edilir.
Taramalı tünelleme mikroskobu (STM), yaygın olarak kullanılan başka bir araçtır. Numunenin 3 boyutlu topolojisini ölçmek için kullanılır. STM, kuantum tünelleme kavramına dayanmaktadır . İletken bir uç incelenecek yüzeye çok yaklaştırıldığında, ikisi arasında uygulanan bir önyargı (voltaj farkı), elektronların aralarındaki boşluktan tünel yapmasına izin verebilir. Ölçümler, ucun konumu yüzey boyunca tararken akımı izleyerek yapılır ve daha sonra bir görüntü görüntülemek için kullanılabilir.
Yaygın olarak kullanılan diğer bir araç, parçacıkların şeklini ve boyutunu ve yüzeyin topografisini ölçmenin yanı sıra numunenin oluşturduğu elementlerin ve bileşiklerin bileşimini belirlemek için kullanılabilen taramalı elektron mikroskobudur (SEM). SEM'de numune yüzeyi yüksek enerjili bir elektron ışını ile taranır. Işındaki elektronlar, numunedeki atomlarla etkileşime girer ve etkileşimler, dedektörler kullanılarak algılanır. Üretilen etkileşimler elektronların geri saçılması, elektronların iletimi, ikincil elektronlar vb.dir. Yüksek açılı elektronları uzaklaştırmak için manyetik lensler kullanılır.
Yukarıda bahsedilen araçlar, yüzeyin gerçekçi resimlerini üretir, araştırma için mükemmel ölçüm araçlarıdır. Nanoteknolojinin endüstriyel uygulamaları, üretilecek ölçümlerin daha nicel olmasını gerektirir. Endüstriyel nanometrolojideki gereksinim, araştırma nanometrolojisine kıyasla çözünürlükten daha yüksek doğruluk içindir.
Nano koordinat ölçüm makinesi
Nano ölçekte çalışan bir koordinat ölçüm makinesi (CMM), makro ölçekli nesneler için kullanılan CMM'den daha küçük bir çerçeveye sahip olacaktır. Bunun nedeni, x, y ve z yönlerinde nano ölçekli belirsizlikleri elde etmek için gerekli sertliği ve kararlılığı sağlayabilmesidir. Böyle bir makinenin probları, nanodelikler gibi yanlardan ve içeriden nanometre özelliklerinin 3 boyutlu ölçümünü sağlamak için küçük olmalıdır. Ayrıca doğruluk için lazer interferometrelerin kullanılması gerekir. NIST, Moleküler Ölçüm Makinesi adı verilen bir yüzey ölçüm cihazı geliştirmiştir. Bu enstrüman temelde bir STM'dir. X ve y eksenleri lazer interferometreler tarafından okunur. Yüzey alanındaki moleküller tek tek tanımlanabilir ve aynı zamanda herhangi iki molekül arasındaki mesafe belirlenebilir. Moleküler çözünürlükle ölçüm yapmak için, çok küçük bir yüzey alanı için bile ölçüm süreleri çok büyük hale gelir. Ilmenau Makinesi, Ilmenau Teknoloji Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından geliştirilen bir başka nano ölçüm makinesidir.
Bir nano CMM'nin bileşenleri arasında nanoproblar, kontrol donanımı, 3D-nanokonumlandırma platformu ve lineer ve açısal ölçüm için yüksek çözünürlük ve hassasiyete sahip cihazlar bulunur .
Bazı ölçüm tekniklerinin listesi
izlenebilirlik
Makro ölçekte metrolojide izlenebilirlik elde etmek oldukça kolaydır ve ölçekler, lazer interferometreler, adım ölçerler ve düz kenarlar gibi artefaktlar kullanılır. Nano ölçekte kristalimsi yüksek oranda yönlendirilmiş pirolitik grafit ( HOPG ), mika veya silikon yüzey, izlenebilirliği sağlamak için kalibrasyon artefaktı olarak kullanılmaya uygun kabul edilir. Ancak izlenebilirliği sağlamak her zaman mümkün değildir. Nano ölçekte düz bir kenarın ne olduğu gibi ve makro ölçektekiyle aynı standart alınsa bile, onu nano ölçekte doğru bir şekilde kalibre etmenin bir yolu yoktur. Bunun nedeni, uluslararası veya ulusal olarak kabul edilen gerekli referans standartlarının her zaman orada olmamasıdır. Ayrıca izlenebilirliği sağlamak için gerekli ölçüm ekipmanı da geliştirilmemiştir. İzlenebilirlik için genel olarak kullanılanlar, geleneksel metroloji standartlarının minyatürleştirilmesidir, dolayısıyla nano ölçekli standartların oluşturulmasına ihtiyaç vardır. Ayrıca bir tür belirsizlik tahmin modeli oluşturmaya ihtiyaç vardır. İzlenebilirlik, birden fazla üretici olduğunda ürünlerin imalatı ve montajı için temel gereksinimlerden biridir.
Hata payı
Tolerans , ekipmanın veya bir işlemin işleyişini önemli ölçüde etkilemeden boyutlarda, özelliklerde veya koşullarda varyasyonun izin verilen sınırı veya sınırlarıdır. Toleranslar, performanstan ödün vermeden kusurlar ve doğal değişkenlik için makul bir boşluk bırakacak şekilde belirlenir. Nanoteknolojide sistemlerin boyutları nanometre aralığındadır. İzlenebilirlik için uygun kalibrasyon standartları ile nano ölçekte toleransları tanımlamak, farklı nano üretim yöntemleri için zordur . Nano imalatta kullanılan yarı iletken endüstrisinde geliştirilmiş çeşitli entegrasyon teknikleri vardır .
Entegrasyon teknikleri
- Gelen heteroatom entegrasyonu bileşik alt-tabakalardan nano doğrudan üretim yapılır. Montajın işlevselliğini elde etmek için geometrik toleranslar gereklidir.
- Gelen hibrid entegrasyon nanocomponents işleyen nanosistemler imal bir alt-tabaka üzerine yerleştirilebilir ya da monte edilir. Bu teknikte en önemli kontrol parametresi, bileşenlerin alt tabaka üzerindeki konumsal doğruluğudur.
- İçinde monolitik entegre tüm üretim işlem aşamaları gerekmektedir düzeneği tek bir alt-tabaka ve bu nedenle bileşenlerin herhangi bir çiftleşme tümleşik veya edilir. Bu tekniğin avantajı, geometrik ölçümlerin artık nanosistemin işlevselliğini sağlamak veya üretim sürecinin kontrolü için birincil öneme sahip olmamasıdır.
Nanoyapıların sınıflandırılması
Nanokompozitler, nanoteller, nanotozlar, nanotüpler, fullerenler nanolifler, nanokajlar, nanokristalitler, nanoiğneler , nanoköpükler, nanomeşler, nanoparçacıklar, nanosütunlar, ince filmler, nanoçubuklar, nano kumaşlar, nano noktalar vb. gibi çeşitli nanoyapılar vardır. Yapıları sınıflandırmanın en yaygın yolu boyutlarına göredir.
boyutsal sınıflandırma
| Boyutlar | Kriterler | Örnekler |
|---|---|---|
| Sıfır boyutlu (0-D) | Nanoyapı, nanometre aralığındaki tüm boyutlara sahiptir. | Nanoparçacıklar, kuantum noktaları , nanodotlar |
| Tek boyutlu (1-D) | Nano yapının bir boyutu nanometre aralığının dışındadır. | Nanoteller , nanoçubuklar, nanotüpler |
| İki boyutlu (2-D) | Nano yapının iki boyutu nanometre aralığının dışındadır. | Kaplamalar, ince film çok katmanlı |
| Üç boyutlu (3-D) | Nano yapının üç boyutu nanometre aralığının dışındadır. | toplu |
Tahıl yapısının sınıflandırılması
Nanoyapılar, oluştukları tane yapısı ve boyutuna göre sınıflandırılabilir. Bu, 2 boyutlu ve 3 Boyutlu Nanoyapılar için geçerlidir.
Yüzey alanı ölçümü
İçin nano spesifik yüzey alanı belirlemek için BET yöntemi, yaygın olarak kullanılır. Nedeniyle, kapalı bir kap içinde, azot basıncının düşmesi adsorpsiyon ve azot kap içine yerleştirilmiş malzemenin yüzeyine moleküllerin ölçülür. Ayrıca, nanotoz parçacıklarının şeklinin küresel olduğu varsayılmaktadır.
- D = 6/(ρ*A)
"D"nin etkin çap olduğu yerde, "ρ" yoğunluk ve "A", BET yönteminden bulunan yüzey alanıdır.
Ayrıca bakınız
Referanslar
Genel referanslar
- Beyaz Saray, David J. (2011). Yüzey ve nanometroloji el kitabı . CRC Basın. ISBN'si 9781420082012. OCLC 703152969 .
- Schulte, Jürgen (2005). Nanoteknoloji: küresel stratejiler, endüstri eğilimleri ve uygulamaları . Wiley. ISBN'si 9780470854006. OCLC 56733161 .
- "Sekizinci Nanoforum Raporu: Nanometroloji" (PDF) . Nanoforum . Temmuz 2006.
- Aliofkhazraei, Mahmood; Rouhaghdam, Alireza Sabour (2010). "Nanoyapılı Filmlerin Sentezi ve İşlenmesi ve Plazma Elektrolizine Giriş ve Karşılaştırma" (PDF) . Plazma elektrolizi ile nanoyapıların üretimi . Wiley-VCH. ISBN'si 9783527326754. OCLC 676709104 .