Нанотехнологии: техника и кадры

Пocкoльку нанoтехнoлoгии – этo coвoкупнocть приёмoв и метoдoв манипулирoвания чаcтицами вещеcтва c геoметричеcкими размерами, не превышающими 100 нм, хoтя бы в oднoм измерении, на атoмнoм и мoлекулярных уровнях c заранее заданной атомной cтруктурой, и обладающих качеcтвенно новыми cвойcтвами, функциональными и экcплуатационными характериcтиками, то первично при этом оcущеcтвление возможноcти измерения (наноизмерение), и поcледующих иccледований. Измерение наноразмерных объектов – это измерение физических, химических и биологических характеристик данных объектов (изолированных или входящих в состав структур большого размера), имеющих размер менее 100 нм.

Приборы, полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий (функционально законченные системы и устройства), характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям, представляют на сегодня существующую измерительную наносистемную технику.

С развитием данной сферы знаний у специалистов по нанотехнологиям возникло чёткое понимание того, что сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) даёт возможность не только получать изображение наноразмерных объектов, но и проводить количественные измерения различных физических параметров.

При этом хорошо обозначилась, стала очевидной и принципиальной проблема, присущая новым этапам развития – один и тот же прибор не может быть одинаково хорошо приспособлен для работы с большим разнообразием объектов.

Приведём ряд примеров, позволяющих оценить разброс возможных условий измерения разнообразных объектов, интересующих специалистов по нанотехнологиям. Например, у клеточных биологов объекты очень мягкие и легко подвергаются необратимому разрушению. Естественно, что для работы с такими объектами необходимы особые режимы сканирующей зондовой микроскопии, а также специальные условия окружающей среды. При работе с кристаллами алмаза или сверхтвёрдыми покрытиями для изучения многих характеристик подходят обычные зонды. Для определённых экспериментов с наноматериалами требуется высокий вакуум, в каких-то случаях исследователей интересуют изменения, происходящие в ходе электрохимических превращений. Для решения ряда проблем необходимо изменить температуру исследуемого образца и т.п.

В целом для обеспечения получения гарантированных результатов при работе с любым нестандартным объектом исследователь должен иметь высокоспециализированный сканирующий зондовый микроскоп (СЗМ-прибор).

По причине того, что «нестандартных» объёктов несравненно больше, чем «стандартных», а также вследствие значительной молодости научной сферы нанотехнологий в самом ближайшем будущем научное сообщество обречено на столкновение с необходимостью использования богатого разнообразия узкоспециализированных вариантов СЗМ.

Огромное многообразие объектов, а также наличие фактической необходимости проведения комплексного исследования образца не только с помощью СЗМ, но и другими методами (спектроскопическими, дифрактометрическими, электронно-микроскопическими и т.п.) требует поиска единого подхода.

И такой подход огромными усилиями был найден!

Для решения этой задачи в 1989-м году была создана компания ЗАО «НТ-МДТ». Основное направление её деятельности – создание научного оборудования для исследований во всех областях нанотехнологий. «НТ-МДТ» стала первой компанией в России, последовавшей по пути разработки универсальной исследовательской платформы, в рамках которой можно относительно просто менять специализацию конкретного прибора путём замены и/или добавления отдельных модулей.


Коммерческое имя платформы – «Интегра»

Оно указывает на возможность интеграции различных подходов. На базе платформы «Интегра» созданы следующие нанолаборатории:

«Интегра-прима» – универсальный СЗМ для решения наиболее типовых, стандартных задач. Функциональность этого исследовательского комплекса может быть расширена в следующих направлениях:

• ?-«Интегра-аура» – Измерение малых сил. Добавление модулей, обеспечивающих низковакуумные условия, позволяет существенно повысить чувствительность применяемых СЗМ-методик, цель которых – измерение электрических или магнитных свойств образцов.
• ?-«Интегра-максимум» – Автоматический сбор больших массивов данных. Для многих промышленных приложений принципиально важна возможность исследования больших образцов и накапливание по заранее заданным алгоритмам больших массивов данных в автоматическом режиме.
• ?-«Интегра-терма» – Решение проблемы термодрейфа. В любом СЗМ существует некоторый дрейф (неконтролируемое смещение зонда относительно исследуемого образца). Данная нанолаборатория разработана как СЗМ со сниженным уровнем температурного дрейфа, что обеспечивает стабильность при работе на малых полях (меньше 100 нм) в течение нескольких часов.
• ?-«Интегра-лайф» – Работа с живыми объектами. Данная нанолаборатория представляет собой соединение мощного инвертированного оптического микроскопа, оснащённого конденсором, и СЗМ. Для биологических задач ключевое значение приобретает возможность для интеграции дополнительных методических подходов. Так функциональность оптического микроскопа можно существенно расширить путём превращения его в лазерный конфоканальный сканирующий микроскоп/спектроскоп. Универсальность СЗМ-платформы позволяет также легко заменить модули атомно-силовой микроскопии модулями ближнепольной оптической микроскопии, что даёт возможность исследовать оптические свойства объекта далеко за пределами дифракции.
• ?-«Интегра-солярис» – Ближнепольная оптическая микроскопия. Данная нанолаборатория имеет возможность изучать оптические свойства образца (способность отражать, пропускать, рассеивать свет) с пространственным разрешением в несколько десятков нанометров. Именно с таким разрешением можно визуализировать неоднородность оптических свойств образца и даже проводить спектроскопические исследования.
• ?-«Интегра-тома» – Реконструкция наноразмерных характеристик в объёме. Фундаментальные особенности атомно-силового микроскопа (АСМ) состоит в том, что исследование образца происходит исключительно на поверхности. Чтобы иметь возможность изучать внутреннюю структуру объекта и задействовать при этом имеющиеся внушительные арсеналы АСМ-методик на платформе «Интегра» и была создана данная нанолаборатория, в которой АСМ работает в паре с ультрамикротомом. Такой подход незаменим при исследовании сложных материалов, ценные характеристики которых обусловлены особенностями их объёмной организации.
• ?-«Интегра-спектра» – Данная нанолаборатория представляет собой измерительный комплекс для исследования одного и того же образца с помощью методов СМЗ, конфокальной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Перспективные разработки серии нанолабораторий «Интегра» нашли свою аудиторию исследователей. Свыше полусотни приборов установлены и трудятся в лабораториях известных мировых научных институтов и широко известны в научных кругах.
  

Учебно-образовательный СЗМ-комплекс НАНОЭДЬЮКАТОР

Эксперты США оценивают мировую потребность в специалистах в области нанотехнологий к 2010-2015-му годам в 2,1 млн. человек. Поскольку российский рынок наноиндустрии в настоящее время находится в стадии формирования, можно прогнозировать появление в ближайшее время в России значительного спроса специалистов в этой области.

Сегодня около 40 университетов страны ведут подготовку специалистов по нанотехнологиям, имея соответствующие полномочия. 32 университета участвуют в ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на2008-2010 гг.», создавая научно-образовательные центры по направлению «Нанотехнология». Ряд университетов модернизирует существующие учебные программы, включая в них разделы нанотехнологий.

В то же время для подготовки специалистов в области нанотехнологий необходимо соответствующее обучающее оборудование. Разработку, изготовление и выпуск на рынок такого оборудования под названием «Комплексная учебно-исследовательская мини-лаборатория на базе СЗМ НАНОЭДЬЮ-КАТОР (NE)» осуществляет группа компаний «НТ-МДТ» в составе (ЗАО «Нанотехнологии МДТ»; ЗАО «Инструменты нанотехнологий»; ООО «НТ-СПб»). В состав мини-лаборатории НАНОЭДЬЮКАТОР входят:

• ?СЗМ NE, включающий:
• -измерительную головку;
• -электронный блок управления;
• -компьютер и специализированное ПО «NanoEdu»;
• ?стойка с пассивной виброзащитой;
• ?комплект зондовых датчиков (7шт.) в виде картриджей со сменными зондами;
• ?технологическая установка электрохимического изготовления зондов из вольфрамовой проволоки с технологическими приспособлениями и набором расходных материалов;
• ?приспособление для полуавтоматической замены зондов;
• ?набор тестовых образцов для калибровки прибора;
• ?инструкция пользователя СЗМ NE;
• ?учебник по основам СЗМ.

В настоящее время в России ведётся активная работа по созданию национальной нанотехнологической сети.

В связи с этим комплексные учебно-научные мини-лаборатории на базе СЗМ НАНОЭДЬЮКАТОР производства группы компаний «НТ-МДТ» могут сыграть важнейшую роль в процессе подготовки квалифицированных кадров в области нанотехнологий для России.

НАНОЭДЬЮКАТОРы могут использоваться при организации учебно-исследовательского процесса в большинстве тематических направлений ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в РФ на 2008-2010 г.г.»

Возможные области применения мини-лабораторий:

• ?-изучение инструментальных принципов СЗМ, спектроскопии и литографии;
• ?-диагностика и характеризация металлических, полупроводниковых и диэлектрических наноматериалов и структур;
• ?-наномодификация и нанолитография.

К новому учебному году компания «НТ-МДТ» оборудовала своим прибором около сотни университетов России. Кроме того, реально имеется положительный опыт поставки описанной выше техники в университеты Голландии, Италии, Венгрии, Австралии и другие зарубежные нано-центры.
В июле 2008 года авторитетное американское издание Research&Development опубликовало результаты ежегодного конкурса R&D Award 2009, где в список 100 лучших приборов в мире вошёл российский сканирующий микроскоп СОЛВЕР Некст. Данный прибор является также продуктом производства группы компаний «НТ-МДТ». Уникальные особенности СЗМ СОЛВЕР Некст-максимальная автоматизация. Благодаря этому даже неквалифицированный оператор может использовать в исследованиях потенциал прибора. В его конструкции успешно совмещены два сканирующих устройства, одно из которых – атомно-силовой микроскоп (АСМ), а второе – туннельный микроскоп (СТМ).

Эти два подхода требуют совершенно разного оборудования. Обычно для замены одной измерительной головки на другую исследователь фактически разбирает установку и снова её собирает в другой комплектации, при этом следует длительный процесс настройки и отладки прибора. Только после этого появляется возможность работы в новом режиме.

Принцип, использованный в конструкции СЗМ СОЛВЕР Некст, изначально позволяет избежать подобных потерь.

Полная автоматизация стала возможна благодаря разработке и внедрению ряда интеллектуальных систем, зарегистрированных торговых марок «НТ-МДТ»:

• ?Head HiPEX-система, обеспечивающая автоматическую смену встроенных и дополнительных внешних головок;
• ?Iso Shield-многофункциональная система создания однородной среды, поддерживающей:
• -постоянную температуру;
• -контролируемый уровень влажности;
• -малый уровень паразитного электромагнитного поля;
• -электростатическую изоляцию, и т.п.
• ?PiNpoint-автоматическая прецизионная система, обеспечивающая точное расположение образца и прицельное позиционирование системы видеонаблюдения;
• ?Scan Scaler-электронная система переключения размера области сканирования, с помощью которой оператор может исследовать большие (до 10 мкм) и малоразмерные (вплоть до атомарных) объекты;
• ?Expert FBA-система управления микроскопом, которая облегчает процесс управления, обеспечивая автоматическую юстировку оптической системы (кантилевер-лазер-фотоди-од).

Все вышеперечисленные технические особенности принципиально важны, поскольку открывают дорогу к дальнейшей автоматизации зондовых микроскопов и указывают направления для создания роботизированных исследовательских комплексов, работающих по принципу «всё в одном».
Востребованность СЗМ СОЛЬВЕР Некст на мировом рынке учёными-исследователями, работающими в области нанотехнологий уже доказана высоким уровнем продаж.

К настоящему времени приборы данного наименования работают более чем в 25-ти научных центрах в России и зарубежных странах.

Данный факт позволяет сделать соответствующие выводы о конкурентоспособности данного продукта.

НАНОФАБ
Сердцем научного центра нанотехнологий должен быть высоковакуумный и/или сверхвысоковакуумный научно-технический комплекс, ориентированный не только на исследования, но и на модификацию объектов в масштабе нанометров, на создание упорядоченных гомо- и гетероструктур с атомарной точностью, а также устройств и приспособлений с использованием таких структур

В «НТ-МДТ» разработаны две платформы для создания подобных комплексов – НАНОФАБ 100 и НАНОФАБ 25. Первая платформа предназначена для работы с пластинами 100 мм и ориентирована прежде всего на создание технологий МЭМС и НЭМС, а также на выпуск пилотных партий устройств с использованием элементов наноэлектроники и наномеханики. Вторая платформа – НАНОФАБ 25 позволяет строить нанотехнологические комплексы для работ с пластинами меньших размеров – 25мм. Оборудование этого типа более экономично, компактно и предназначено в основном для решения аналитических и исследовательских задач.

В настоящее время на мировом рынке не существует прямых аналогов вышеназванных комплексов. Большинство поставщиков технологического оборудования предлагают узкоспециализированные продукты, ориентированные на тот или иной технологический процесс. В редких случаях предлагаются двух-трёхмодульные установки, причём общим недостатком всех подобных установок является отсутствие единой координатной системы. Следствием этого является невозможность реализации исследовательских и технологических алгоритмов на уровне точности изменений материалов в нанометровом диапазоне.

Реализованная в платформах НАНОФАБ 100 и НАНОФАБ 25 единая координатная система решает такую задачу и представляет собой уникальное конкурентное преимущество данных комплексов по отношению ко всем другим существующим системам.

Данный продукт постоянно совершенствуется и дорабатывается, что позволяет рассматривать эти нанотехнические комплексы, как исключительно перспективные с точки зрения системообразующих платформ.

В заключение хотелось бы отметить, что научно производственные и научно-образовательные центры, укомплектованные современным исследовательским и технологическим оборудованием, а также имеющие оборудование и инфраструктуру для подготовки специалистов могут составить основу для инновационного развития российской экономики, обеспечить высокий уровень конкурентоспособности российской высокотехнологичной продукции на мировых рынках.


ЛИТЕРАТУРА
1.Григорьев С.Н., Грибков А.А., Волосова М.А., Маслов А.Р., Нанотехника в технологиях машиностроения., Москва, Издательство «ИТО», 2010г.

2. «Наноиндустрия», №3/2009г., В.Быков, В.Васильев, А.Голубок, «Наноэдьюкатор-первый шаг к созданию образовательной нанотехнологической сети».

3. «Наноиндустрия», №5/2009г., В.Быков, «Российские приборы побеждают в престижном американском конкурсе».

4. «Наноиндустрия», №6/2009г., В.Быков, СЗМ-комплексы – из настоящего в будущее».

5. «Индустрия»,№4/2009г., В.А.Быков, «Комплексное оснащение междисциплинарных нанотехнологических лабораторий».