CC BY
41
ОПЫТ РАБОТЫ ЦЕНТРА МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СИБИРСКОМ ФЕДЕРАЛЬНОМ ОКРУГЕ
Геннадий Владимирович Шувалов
ФГБОУ ВПО «СГГА», 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, тел. (383) 210-17-26, e-mail:
Владимир Федорович Матвейчук
ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова,4, директор, (383) 210-08-14, e-mail: [email protected]
Иван Владимирович Клековкин
ФГУП «СНИИМ», 630004, Россия, г. Новосибирск, пр. Димитрова,4, зам. начальника лаборатории, (383) 210-12-65, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены вопросы деятельности Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Сибирском федеральном округе. На конкретных примерах показана эффективность выполнения работ в рамках Центра при решении задач метрологического обеспечения нанотехнологий.
Ключевые слова: метрологическое обеспечение, нанотехнологии, термохимические параметры.
EXPERIENCE OF THE CENTER OF METROLOGICAL PROVIDING NANOTECHNOLOGIES IN SIBERIAN FEDERAL DISTRICT
Gennady V. Shuvalov
FGBOU of VPO «SGGA», 630108, Russia, Novosibirsk, Plakhotnogo St., 10, associate professor of metrology, standardization and certification, ph. (383) 210-17-26, e-mail:
Vladimir F. Matveychuk
Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, Dimitrov Ave., 4, director, (383) 210-08-14, e-mail: [email protected]
Ivan V. Klekovkin
Federal State Unitary Enterprise SNIIM, 630004, Russia, Novosibirsk, Dimitrov Ave., 4, deputy chief of laboratory, (383) 210-12-65, e-mail: [email protected]
In article questions of activity of the Center of metrological providing and an assessment of compliance of nanotechnologies and nanoindustry production in Siberian federal district are considered. On concrete examples efficiency of performance of work within the Center is shown at the solution of problems of metrological providing nanotechnologies.
Key words: metrological providing, nanotechnologies, thermochemical parameters.
Успешное освоение нанотехнологий невозможно без подготовленной инфраструктурной и методической базы, а именно, стандартизации, метрологического обеспечения и оценке соответствия продукции наноиндустрии.
Именно по этой причине, на базе Сибирского государственного научноисследовательского института метрологии (ФГУП «СНИИМ») и ряда учреждений СО РАН и Росстандарта в конце 2009 года был создан Центр метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Сибирском федеральном округе [1].
В соответствии с этим основными задачами Центра являются: мониторинг состояния метрологического обеспечения в Сибирском федеральном округе; создание эталонов, эталонных мер и тест - объектов, средств измерений и измерительно-технологических комплексов в области нанотехнологий; разработка и аттестации стандартных образцов веществ и наноматериалов; разработка и аттестация методик измерений; испытания средств измерений в области нанотехнологий.
Одно из направлений Центра - метрологическое обеспечение разработки и применения новых материалов для топливо-энергетического комплекса, которое связано с использованием наноматериалов, в том числе, нанопорошков металлов. Нанопорошки (НП) металлов являются одним из наиболее широко распространенных наноматериалов, которые производятся в больших масштабах и находят применение в самых различных областях техники и технологии: в составе ракетных топлив и металлоплакирующих смазочных материалов, реагентов в органическом и неорганическом синтезе, в водородной энергетике и т.д.
Успешное использование нанопорошков металлов в различных областях техники и технологии обуславливает наличие подробных сведений об их физико-химических характеристиках. В этой связи в рамках Центра были выполнены работы по созданию метрологического комплекса для обеспечения единства измерений термохимических свойств нанопорошков металлов, в том числе:
- температуры начала окисления - до 600°С;
- степени окисленности - до 50 %;
- теплового эффекта реакции - до 6000 кДж/кг.
Создание метрологического комплекса обеспечения единства измерений термохимических свойств нанопорошков металлов включало разработку методов и средств измерений, а также государственных стандартных образцов термохимических свойств нанопорошков металлов. Был проведен анализ свойств нанопорошков металлов и выбран материал для изготовления стандартных образцов, разработаны методики измерений термохимических свойств нанопорошков металлов, разработаны, исследованы и созданы государственные стандартные образцов температуры начала окисления, степени окисленности, теплового эффекта окисления нанопорошков металлов. В работе использовались нанопорошки металлов, получаемые методом электрического взрыва проводников. Благодаря этому электровзрывные НП обладают рядом отличий в сравнении с НП, полученными другими способами. Такие НП имеют сферическую форму частиц, устойчивы к окислению и спеканию при комнатной температу-
ре, их характеризует высокая диффузионная активность при нагревании, связанная с особыми теплофизическими свойствами НП [2].
Для оценки термохимических свойств и характеристик нанопорошков металлов использовался комплекс методов термического анализа - дифференциальный термический анализ (ДТА) и дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). По данным ДТА и ДСК рассчитывались параметры химической активности исходных нанопорошков и их смесей: температура начала окисления (Тн_а, °С), степень окисленности (а, %), максимальную скорость окисления (Кмх, Кг/с) и тепловой эффект окисления (АН, кДж/кг), которые являются наиболее типичными параметрами для входного контроля нанопорошков на производстве и исходными данными для осуществления процесса синтеза нанопорошков и продукции на их основе. Для оценки безопасности обращения с нанопорошками их наиболее значимой характеристикой является Тн.о и ¥тах. Термохимические параметры определяют также и технологические свойства нанопорошков [3].
В качестве эталонного прибора использовался термоанализатор БЭТ 0600, измерения с помощью которого в соответствии с методикой измерений проводили в режиме линейного нагрева в интервале 20.. .1 000 °С со скоростью нагрева 10 °С/мин в атмосфере воздуха.
В результате проведенных экспериментальных работ было создано метрологическое обеспечение измерений термохимических параметров нанопорошков металлов в виде [4]:
- метрологического комплекса измерений термохимических параметров нанопорошков металлов на базе совмещенного ТГА/ДСК/ДТА анализатора БЭТ 0600;
- методик измерений термохимических параметров нанопорошков металлов;
- государственных стандартных образцов температуры начала окисления, степени окисленности, теплового эффекта реакции нанопорошков металлов.
Другой значимой работой в рамках Центра являлась работа по аттестации линейных мер нанометрового диапазона. На сегодняшний день большой интерес вызывают измерения объектов размерами менее 100 нм. Для этих измерений используются различные микроскопы, в том числе сканирующие зондовые атомно-силовые (АСМ) [5] и цифровые интерференционные микроскопы. Для обеспечения единства измерений в данном диапазоне размеров используются различные рельефные меры нанометрового диапазона [6]. К таким мерам относятся меры ширины и периода специальные МШПС-2.0К [7] и меры периода и высоты линейные TGZ1, TGZ2, TGZ3 . Указанные меры имеют минимальный номинальный размер по высоте рельефа 20 нм, что не позволяет осуществлять калибровку АСМ в области размеров менее 20 нм.
В этой связи в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (СО РАН) и Центре коллективного пользования «Наноструктуры» СО РАН в течение ряда лет проводились исследования по созданию вертикальных мер ступенчатых структур на основе моноатомных ступеней [8]. Основное достоинство разработанной технологии -
возможность создания мер нанометрового диапазона состоящих из счетного количества равных по высоте моноатомных ступеней.
Мера представляет собой пластину кремния с шестью разными по высоте в диапазоне (0,31 - 31) нм выделенными участками различной высоты (далее -мерами) и состоит из определенного числа ориентированных в направлении кристаллографической плоскости (111) моноатомных ступеней кремния. Единица длины, воспроизводимая мерой, измеряется между поверхностями свободными от моноатомных ступеней размерами не менее (1x5) мкм.
В связи с отсутствием эталонных средств измерений, способных передать единицу длины на всем нанометровом диапазоне высот мер, использовался следующий принцип измерений:
- с эталонной мерой периода и высоты линейной TGZ1 сравнивается наиболее близкая по высоте аттестуемая мера при помощи АСМ, выступающего в роли нуль-компаратора. При проведении испытаний использовался сканирующий зондовый микроскоп Ntegra Vita, относящийся к классу АСМ;
- подсчитывают количество моноатомных ступеней в каждой из этих мер;
- проводят расчет средней высоты одной моноатомной ступени;
- далее рассчитывают высоты остальных аттестуемых мер через количество моноатомных ступеней в мере и ранее полученную высоту моноатомной ступени.
Для исключения ошибки измерений из-за несовершенства АСМ, измерения также были проведены с использованием нескольких микроскопов.
В ходе испытаний были подтверждены все технические характеристики Комплектов мер. На основании положительных результатов был утвержден тип средства измерений «Комплекты мер высоты СТЕПП-ИФП-1», позволяющий передавать размер единицы длины в диапазоне высот от 0,31 до 31 нм. Для применения комплектов были разработаны «Методика поверки (калибровки) измерений высот в диапазоне 0,31-31 нм с помощью Комплектов мер высоты СТЕПП-ИФП-1» и «Методика поверки (калибровки) измерений высот в диапазоне 0,31-31 нм с помощью Комплектов мер высоты СТЕПП-ИФП-1».
Для изучения потребности в метрологическом обеспечении Центром были проведены работы по уточнению специализации предприятий, работающих в области нанотехнологий по Томской области и их измерительных потребностей [9].
Кроме этого, было выявлено, что среди опрошенных предприятий 38 % не имеют необходимой приборно-инструментальной базы для полноценной работы в своей области, например, отсутствует необходимое оборудование для определения дзета-потенциала наноматериалов и функции распределения наночастиц по размерам. 31 % опрошенных предприятий заявили об отсутствии нормативно-методической базы для ряда измерительных задач, связанных с определением фазового и элементного состава наноразмерных выделений и нано-размерных слоев.
Таким образом, мониторинга только одной области показал, что имеется достаточное количество измерительных задач, которые следует решать в рамках Центра. Для их решения были разработаны ряд методик измерений.
Таким образом, создание и практическая деятельность Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Сибирском федеральном округе показало высокую эффективность такой организационной формы развития инфраструктуры нанотехнологий при решении задач метрологического обеспечения нанотехнологий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Шувалов Г.В. Развитие работ в области нанотехнологий и их метрологическое обеспечение в Сибирском федеральном округе // Метрология и стандартизация в нанотехнологиях и наноиндустрии.Функциональные наноматериалы: тез. докл. 4 Всероссийской школы Роснано. - Новосибирск, 2011. - С. 135-136.
2 Ильин А.П. Применение электровзрывных ультрадисперсных порошков в качестве добавок к маслам / А.П. Ильин, Ю.А. Краснятов, С.А. Ларионов // Получение, свойства и применение энергонасыщенных порошков металлов и их соединений: тез. докл. Рос. конф. Томск: НИИ ВН при ТПУ, 1993. - С. 83.
3 Ильин А.П. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии / А.П. Ильин, А.А. Громов // Томск: Изд-во ТГУ, 2002.
4 Ильин А.П. Методы диагностики металлов в наносостоянии» / А.П. Ильин, Г.В. Шувалов // Вестник Дальневосточного технического университета. - Владивосток, 2011. -№ 1(3). - С. 13-16.
5 ГОСТ 8.593-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые. Методика поверки
6 ГОСТ 8.591-2009. Государственная система обеспечения единства измерений. Меры рельефные нанометрового диапазона с трапецеидальным профилем элементов. Методика поверки.
7 ГОСРЕЕСТР СИ № 33598-06. Меры ширины и периода специальные МШПС-2.0К.
8 Патент № RU 2371674 C1. Способ изготовления ступенчатого высотного калибровочного стандарта для профилометрии и сканирующей зондовой микроскопии / Щеглов Д.В., Косолобов С.С., Родякина Е.Е., Латышев А.В.
9 Ильин А.П. Исследование термохимического состояния нанопорошков металлов /
А.П. Ильин, И.В. Клековкин, Г.В. Шувалов // Геопространство в социальном дискурсе: прошлое, настоящее, будущее: сб. материалов VII Международного научного конгресса «ГЕО-СИБИРЬ-2011». - Новосибирск: СГГА, 2011. - Ч. 2. - С. 214-218.
© Г.В. Шувалов, В. Ф. Матвейчук, И.В. Клековкин, 2013
