Какие требования предъявляются к конструкции и составу нанотехнологических установок

Вид материала

Документы

Содержание Конструкции сканирующих туннельных микроскопов Билет № 20 X-Y построчно, таким образом, что кончик иглы постепенно проходит над всей заданной площадью образца с шагом D Инструментальные материалы Производственные технологии Электро-магнитная и электронная техника Защита материалов Медицина и биотехнологии Билет № 21 1Х1 Аналог 1х1 - Центр микроэлектроники МО США (DMEA)

Подобный материал:

• Какие требования предъявляются к сочинению, 9.8kb.
• Требования, предьявляемые к участникам торгов, 19.3kb.
• Билеты с ответами на 2-й класс, 1660.72kb.
• I. Гетероскедастичность Как определяется условие независимости ошибок регрессионной, 94.43kb.
• Условия повышения мотивации при изучении иностранного языка, 79.45kb.
• Личность профсоюзного лидера как составляющая успеха трудового коллектива, 71.91kb.
• Правила эксплуатации установок очистки газа (пэу-99), 696.13kb.
• 1. Требования к содержанию и составу заявки на участие в открытом аукционе, 443.51kb.
• Вид работ №24. 19. «Пусконаладочные работы компрессорных установок», 19.08kb.
• Проект технический регламент, 506.81kb.

^

Конструкции сканирующих туннельных микроскопов

  В настоящее время в литературе описаны сотни различных конструкций сканирующих зондовых микроскопов. С одной стороны, такое количество разработанных СЗМ обусловлено практической необходимостью, поскольку для решения конкретных задач часто требуется определенная конфигурация СЗМ. С другой стороны, относительная простота механической части СЗМ стимулирует изготовление измерительных головок, максимально адаптированных к условиям конкретного эксперимента непосредственно в научных лабораториях.

  Для эффективной работы конструкция измерительной головки СТМ должна удовлетворять целому ряду требований. Наиболее важными из них является требование высокой помехозащищенности. Это обусловлено большой чувствительностью туннельного промежутка к внешним вибрациям, перепадам температуры, электрическим и акустическим помехам. В настоящее время в этом направлении накоплен большой опыт, разработаны достаточно эффективные способы защиты СТМ от воздействия различных внешних факторов. В конечном итоге, выбор той или иной системы виброизоляции и термокомпенсации диктуется, в основном, целесообразностью и удобством использования. Другая, не менее важная группа требований к дизайну СТМ, связана с условиями применения разрабатываемого микроскопа и определяется задачами конкретного эксперимента.

^ БИЛЕТ № 20

1. Какие двигатели используются в сканирующих зондовых микроскопах. Каково их быстродействие, разрешающая способность и недостатки.
   

• Двигатель
  
• Пьезоэлектрики - изменяют свой размеры во внешнем электрическом поле
  
• Пьезокерамика – поляризованный поликристаллический материал, получаемы методом спекания порошков из кристаллических сегнетоэлектриков
  
• Трубчатые пьезоэлементы – полые тонкостенные цилиндры
  

• Виды сканеров - Трипод – три трубки в одном узле, Трубчатый пьезосканер
  

В процессе сканирования величина локального взаимодействия поддерживается постоянной с помощью системы автоматического слежения, которая, регистрируя сигнал взаимодействия (силу или ток), поддерживает его среднее значение на постоянном уровне.

При работе прибора образец движется в плоскости ^ X-Y построчно, таким образом, что кончик иглы постепенно проходит над всей заданной площадью образца с шагом D.


Способы формирования изображения рельефа поверхности в СТМ

• В режиме постоянного туннельного тока
  
• Зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя сканирование; при этом изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f (x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.
  
• Режим постоянной высоты Z = const
  
• При исследовании атомарно гладких поверхностей
  
• В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности
  
• Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС
  
• В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями практически в реальном времени
  

2. Назовите и обоснуйте области гражданского применения наноситем.

Конструкционные материалы: Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использование в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а пластичность – либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni₃Al возрастает в 4 раза. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов.

^ Инструментальные материалы: Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработки полупроводников и диэлектриков.

^ Производственные технологии: Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х10⁷ м^-1) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов.


Триботехника: Здесь перспективы применения связаны с тем, что металлические материалы с наноструктурой обладая повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Другим направлением в этой области является использование полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например сфероподобными молекулами С₆₀) и фуллеритов (легированных фуллеренов, например Fe_xC₆₀). Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающие очень высокой или ультравысокой (до 70 ГПа) твердостью хорошо зарекомендовали себя при трении скольжения, в том числе ряд пленок – в условиях ударного износа. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20Гпа и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.

Ядерная энергетика: В США и возможно в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO₂, а в термоядерной технике используются мишени для лазерно-термоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды.

^ Электро-магнитная и электронная техника: Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов делает перспективным их использование для записывающих устройств. Пленочные наноматериалы с плоской поверхностью и поверхностью сложной формы из магнито-мягких сплавов используют для видеоголовок магнитофонов, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы. Разработаны наноструктурная никелевая фольга и магнитомягкий наносплав «Файнмет». Углеродные нанотрубки, напылённые железом, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа Sm_xCo_y применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников. Добавление нанопорошков в состав ряда сверхпроводников может улучшать такие показатели, как температуру перехода в сверхпроводящее состояние и критическую плотность тока за счет образования дополнительных центрами пиннинга. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. Соединение углеродных нанотрубок с различной хиральностью (т.е. скрученностью кристаллической решетки относительно оси трубки) образует нанодиод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины – канал полевого транзистора. Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм. Фуллерены и наноматериалы на их основе являются перспективными материалами для создания изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники. Композитные фуллереноосновные пленки С₆₀-CdTe при содержание 15-20 мас.% CdTe являются основой для получения регулярных наноструктур с заданными оптическими свойствами. Нанотехнологии на основе метода ионно-атомного осаждения позволяют получать для электронных и оптических изделий нанокомпозиции «покрытие - переходный слой - подложка» из термодинамически несмешиваемых элементов, отличающихся высокой адгезией и стойкостью к внешним термическим и механическим воздействиям, например пленки золота на кремниевых подложках со структурой поверхности в виде набора атомно-гладких сфероидальных сегментов. В качестве перспективных полупроводниковых материалов рассматриваются эпитаксиальные слои GaN, в т.ч. на сапфировой подложке, самоорганизация топографической наноструктуры поверхности которых связана с величиной подвижность электронов, особенностями мозаичной структуры и химическим составом.

^ Защита материалов: В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами.

^ Медицина и биотехнологии: Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiO_x, SiN_x обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях).


В парфюмерно-косметической промышленности наночастицы используются как составная часть солнцезащитных кремов; в сельском хозяйстве - для более эффективной доставки средств защиты растений и удобрений, для нанокапсулирования вакцин; предполагается использование наночастиц для доставки ДНК в растения в целях генной инженерии. В пищевой промышленности наноматериалы находят применение в фильтрах для очистки воды, при получении более легких, прочных, более термически устойчивых и обладающих антимикробным действием упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами. Использование наночипов предполагается для идентификации условий и сроков хранения пищевой продукции и обнаружения патогенных микроорганизмов.


^ БИЛЕТ № 21

1. Что такое углеродные нанотрубки. Можно ли использовать их в качестве зондов СТМ? А как еще используют нанотрубки?
   

УНТ - цилиндрические частицы из свернутых графенов.(Графены - листки из атома углерода, расположенных по углам сочлененных шестиугольников)

Углеродные нанотрубки представляют собой крошечные цилинтры или цилиндрические образования с диаметром от 0,5 до 10нм и длиной примерно в 1мкм. Они являются новой кристаллической формой углерода.

Углеродные нанотрубки являются новым веществом или материалом, чрезвычайно перспективным для различных технических применений.

Высокая механическая прочность углеродных нанотрубок в сочетании с их электропроводностью дают возможность использовать их в качестве зонда в СТМ, что на несколько порядков повышает разрешающую способность приборов подобного рода.

Возможные применения нанотрубок:

• Механические применения: сверхпрочные нити, композитные материалы, нановесы
  
• Применения в микроэлектронике: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы
  
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки
  
• Оптические применения: дисплеи, светодиоды
  
• Химическое применение: нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: ссылка скрыта, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов.
  
• Медицина
  
• Энергетика (двигатели на водородном топливе)
  
• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
  

2. Назовите перспективы и основные цели национальных нанотехнологических программ США, ЕС, и Японии
   

США

National Nanotechnology Initiative  -2000 г. – основа национальной стратегии для расширения исследований в области нанотехнологий. Главные цели:

1. Проведение исследований и разработок на мировом уровне
   
2. Ускорение трансфера технологий
   
3. развитие образовательных ресурсов, подготовка квалифицированных кадров
   
4. поддержка исследовательской инфраструктуры и инструментов.
   

Особое значение: стоимость инфраструктуры и оборудования для исследований по нанотехнологиям и их коммерциализации очень высоки и превышают финансовые возможности малого бизнеса, академических институтов и государственных организаций.

7основных направлений (программные компоненты):

1. Фундаментальный феномен наноразмера и процессы
   
2. Наноматериалы
   
3. Наноразмерные устройства и системы
   
4. Исследования в области инструментов, метрологии и стандартов для нанотехнологий.
   
5. Нанопроизводство
   
6. Приобретение основных исследовательских устройств и инструментов.
   
7. Социальные измерения (влияние на окружающую среду, здоровье, безопасность населения)
   

ЕС

Нанотехнологии финансируются как из средств ЕК, так и на уровне отдельных государств.

Рамочные программы 5,6,7 включают нанотехнологии и нанонауку.

В 6 РП в рамках проекта Nanoroadmap было выделено 4 приоритетные области:

Наноматериалы, наноэлектроника, наноэнергетика и нанотехнологии для медицины и фармацевтики.

Еврокомиссия инициировала разработку «Европейской стратегии развития нанотехнологий, 12 мая 2004 г. Еврокомиссией был одобрен документ « Towards a European Strategy for Nanotechnology», след ключевые проблемы:

• Увеличение инвестиций и ИиР и улучшение координации ИиР, проводимых странами ЕС, с целью обеспечения превосходства, конкурентоспособности нанонауки и нанотехнологий;
  
• Создание научной инфраструктуры мирового уровня( полюсов превосходства), которые учитывали бы потребности и научных организаций, и промышленности;
  
• Поддержка междисциплинарности в образовательном процессе и в подготовке научного персонала;
  
• Создание преференций для промышленных инноваций;
  
• Создание условий для обеспечения безопасности потребителей нанопродукции и наноуслуг и экологической безопасности.
  
•  
  

Япония – мировой лидер во многих областях нанотехнологий.

В третьем пятилетнем плане развития науки и технологий на период 2006-2010гг нанотехнологии рассматриваются как один их ключевых приоритетов. Министерство экономики, торговли и промышленности Японии отвечает за коммерциализацию нанотехнологий. Были учреждены 3 структуры для разработки «Стратегии развития нанотехнологий в Японии»:

Комитет научной политики в области нанотехнологий

Рабочая группа по разработке политики

Рабочая группа для анализа социального влияния

2005 – выделение 7 стратегических для Японии направлений:

Транспарентный подход к управлению ресурсами

Решение проблем станлартизации и обеспечения безопасности для потребителей нанотехнологий

Разработка дорожных карт для создания рынков

Координация проектов в области использования нанотехнологий для решения социальных проблем

Стратегия для нано-spin-offs

Создание моста между университетскими исследованиями, промышленностью и социальными потребностями.


Билет 25

1.Как Вы понимаете термин «кластерное оборудование»

замкнутое, вакуумное, для производства



Примеры практической реализации

Линия «Основа» (80-е года)

^ 1Х1

Аналог 1х1 - Центр микроэлектроники МО США (DMEA)

DMEA планировка


Универсальный комплекс средств технологического оснащения


для производства электронной компонентной базы двойного назначения

УНИТЕК

Основные тактико-технические характеристики комплекса

1. Технологический уровень 0,05 мкм
   
2. Диаметр пластин 50-300 мм
   
3. Производительность 5 пластин/час
   
4. Занимаемая площадь 50 кв. м.
   
5. Численность персонала:
   

-эксплуатационный 4-5 чел/смена

-оперативный 1 чел/смена

6. Энергопотребление 0,6 МВт
   
7. Водопотребление 0,1 куб. м/час
   

(полностью замкнутый контур)

8. Класс чистоты
   

производственного 1000

помещения

9. Базовая стоимость 15 млн. долларов
   

Концепция комплекса

1. Гибкая настройка для перехода
   к изготовлению различных типов ЭКБ
   за счет интеграции производства исходных структур в общий технологический цикл изготовления продукции и применения межоперационной очистки камер (для реализации большого числа процессов в минимальном количестве камер)
   
2. Стабильность производственных условий для выпуска продукции
   

• Полностью исключается прямой контакт оператора с продукцией на всех стадиях производства
  
• На всех стадиях производства изделие находится либо в вакууме, либо в атмосфере нейтрального газа, не связанной с окружающей средой
  
• Очистка камер после каждой операции
  

3. Дистанционные e-диагностика и обслуживание


2.Что представляет собой отечественная фирма NT-MDT?


Российские производители в большинстве своем пока не могут похвастаться заметными коммерческими успехами на мировом рынке СЗМ. Единственная организация, претендующая на статус лидера, причем не только в России, — частная компания NT-MDT, которая базируется в подмосковном Зеленограде (ее название расшифровывается как Molecular Devices And Tools for NanoTechnology). Рассмотрим на примере данной организации возможность интеграции российских производителей СЗМ в мировой рынок.

НТ-МДТ специализируется на разработке и производстве оборудования для молекулярных технологий – Сканирующих Зондовых Микроскопов (СЗМ), изделий кремниевой механики для нанотехнологии (атомно-силовых кантилеверов, решеток для калибровки СЗМ, датчиков перемещения), установок для исследования Лэнгмюровских пленок и формирования пленок Лэнгмюра-Блоджетт. Этой компании удалось не только удержаться в бизнесе СЗМ, но и стать одним из известных мировых лидеров по производству сложной контрольно-измерительной аппаратуры – зондовых микроскопов и микрозондовых систем.

Причиной успеха и быстрого роста компании в 1997-99 гг. явилась выбранная «НТ-МДТ» наступательная стратегия, ориентированная на инновационную дифференциацию и фокусировку. Реализация этой стратегии обеспечила создание компанией конкурентоспособной высокотехнологической продукции, имеющей существенные технические и ценовые преимущества перед зарубежными аналогами – ряд моделей СЗМ для различных приложений, совершенные микрозонды – необходимые для работы СЗМ.

Используя эффективный для продвижения высокотехнологического продукта промышленный маркетинг (создание дистрибьюторской сети, работа с информированными потребителями, участие в международных выставках, семинарах, развитие общественных связей), компания НТ-МДТ вышла на мировой рынок и в настоящее время контролируемая ею доля мирового рынка кантилеверов составляет 15%, а рынка СЗМ – 5%. ¹

Перспектива развития компании, являющейся лидером по издержкам в отрасли СЗМ и имеющей в своем арсенале приборы с уникальными потребительскими качествами (разработанный НТ-МДТ портативный СЗМ «Смена» не имеет мировых аналогов) – быстрый рост, увеличение объемов производства, возможная организация совместного производства СЗМ НТ-МДТ в Германии, США с участием иностранного капитала, выход на новый сегмент рынка – сверхточных микрогироскопов и микродатчиков, объем рынка которых существенно выше объема рынка СЗМ и составляет 10млрд. долларов