Тенденции и перспективы развития нанотехнологического оборудования: современные технологические и аналитические возможности

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАО «НТ-МДТ»

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к нанотехнологиям вообще, а, следовательно, и к оборудованию, необходимому для проведения фундаментальных и прикладных работ, техническому обеспечению новых производственных мощностей, которые позиционируются как производства, базирующиеся на нанотехнологиях.

Появился и начал стремительно расти рынок метрологического, аналитического и технологического оборудования. Этот рынок осваивается, в том числе, и зарубежными компаниями. Но открываются и серьезные перспективы для развития отечественного научного и технологического приборостроения. Расширение рынка заставляет изменять концепции разработок новых приборов и установок, понижать образовательные пороги пользователей, усиливая интеллектуальную мощность создаваемой продукции.

В докладе представлены три направления развития приборостроения для нанотехнологий, в концепте которых работают разработчики группы компаний НТ-МДТ, а именно а) расширение возможностей СЗМ за счет интеграции с другими исследовательскими подходами, б) упрощение этапа настроек и снижение квалификационного барьера для оператора, в) создание автоматизированных высоковакуумных комплексов для отработки технологий МЭМС и НЭМС.

СЗМ для специализированных исследований - концепция НаноЛаборатории. Первым принципиальным направлением развития оборудования для нанотехнологий НТ-МДТ считает расширение возможностей и функциональности приборов за счёт углубления их специализации и в то же время достижение максимальной гибкости оборудования при изменении специализации.

Проблема дальнейшего развития сканирующей зондовой микроскопии состоит в том, что один и тот же прибор одинаково приспособлен для работы со всеми возможными объектами. Для проведения комплексных исследований «нестандартных» объектов необходимо использование не только СЗМ, но и другого специализированного оборудования. НТ-МДТ была первой компанией, которая пошла по пути разработки универсальной исследовательской платформы, в рамках которой можно относительно легко менять специализацию данного конкретного прибора путем замены и/или добавления отдельных модулей. Коммерческое имя платформы - ИНТЕГРА, указывает на возможность интеграции разных подходов.

Платформа ИНТЕГРА включает в себя восемь специализированных приборов. Основой для интеграции СЗМ с другими методическими подходами является базовая модель платформы - нанолаборатория ИНТЕГРА Прима - универсальный СЗМ для решения наиболее типовых, «стандартных» задач.

ИНТЕГРА АУРА - измерение малых сил

ИНТЕГРА Аура - сканирующий зондовый микроскоп для работы в условиях контролируемой атмосферы или низкого вакуума. В вакууме повышается добротность колебаний кантилевера, а значит, увеличивается чувствительность, надежность и достоверность в измерениях слабых сил: переход от атмосферного давления к вакууму до 10^-4 торр обеспечивает почти десятикратное возрастание добротности.

ИНТЕГРА МАКСИМУС - автоматический сбор больших массивов данных

Для многих индустриальных приложений принципиально важно иметь возможность исследовать большие образцы, накапливая большие массивы данных в автоматическом режиме по заранее заданным алгоритмам. Специализация ИНТЕГРА Максимус -- это работа с большими образцами и сбор больших массивов данных в автоматическом режиме.

ИНТЕГРА ТЕРМА - решение проблемы термодрейфа

В любом зондовом микроскопе существует некоторый дрейф - неконтролируемое смещение зонда относительно образца. ИНТЕГРА Терма была разработана как СЗМ со сниженным уровнем температурных дрейфов. За счет симметрии конструкции измерительного модуля, тщательного подбора материалов с учетом их коэффициентов теплового расширения, а также благодаря двойному контуру внутренней термостабилизации, величина дрейфа при изменении температуры образца в ИНТЕГРА Терма составляет 10-15 нм на °С.

Два изображения кремниевых нанотрубок, полученные в рамках одного эксперимента, проходившего в течение семи часов: термодрейф за это время составляет всего 35 нм

ИНТЕГРА СОЛЯРИС - ближнепольная оптическая микроскопия

ИНТЕГРА Солярис представляет собой сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ). Его специализация - исследование оптических свойств образца за пределом дифракции видимого света (разрешение до 30 нм).

Именно с таким разрешением можно визуализировать неоднородность оптических свойств образца и даже осуществлять спектроскопические исследования. Правда, оптический сигнал при этом должен быть достаточно сильным (как, например, бывает в случае ярких флуоресцентных красителей).

ИНТЕГРА ТОМО - реконструкция наноразмерных характеристик в объеме (АСМ томография)

ИНТЕГРА Томо - уникальная комбинация СЗМ и ультрамикротома, которая позволяет получать послойные изображения образца и реконструировать трёхмерную модель наноразмерных включений.

Принцип метода АСМ томографии состоит в следующем. Ультрамикротом последовательно производит ультратонкие (до 10 нм) срезы, которые также последовательно сканируется АСМ. После нескольких подобных циклов из накопленных АСМ изображений (зная толщину срезаемого ультрамикротомом слоя) реконструируется трехмерная модель, картина распределения интересующей характеристики.

Такой подход оказывается незаменимым при исследовании сложных материалов, ценные характеристики которых обусловлены особенностями их объемной организации.

ИНТЕГРА СПЕКТРА - спектроскопия высокого разрешения (за пределом дифракции)

ИНТЕГРА Спектра - это уникальная интеграция сканирующего зондового микроскопа с конфокальной микроскопией/спектроскопией люминесценции и комбинационного рассеяния (КР). Отличительной чертой нанолаборатории ИНТЕГРА Спектра является возможность исследовать оптические свойства объектов за пределом дифракционных ограничений. СБОМ и эффекты локального усиления комбинационного рассеяния (TERS -- Tip Enhanced Raman Scattering), дают возможность картировать распределение оптических свойств (пропускание, рассеяние, поляризация света и др.), а также осуществлять спектроскопию комбинационного рассеяния с разрешением до 50 нм в плоскости XY. Разработчики НТ-МДТ первыми создали коммерчески доступный прибор для работы с TERS. И нанолаборатория ИНТЕГРА Спектра была награждена R&D 100 Award как лучшая разработка 2006 г. нанотехнология кремниевый приборостроение

ИНТЕГРА Спектра - в 2006 году прибор вошел в список 100 важнейших разработок, сформированный журналом “R&D”

Представленные направления платформы ИНТЕГРА не являются пределом, т.к. развитие фундаментальных исследований регулярно поднимает все новые и новые вопросы. Например, создание специализированного оборудования для генного картирования и генетической диагностики, разработка подходов для интеграции СЗМ с электронной микроскопией, рентгенофлуоресцентным микроанализом - перспективы вполне реальные. Задача разработчиков научного оборудования заключается в том, чтобы взять все лучшее из разных областей знаний и сделать его доступным максимально широкому кругу исследователей.

ИНТЕГРА Лайф - работа с живыми объектами

Развитие рынка медицинской диагностики потребовало разработки нового специализированного прибора платформы ИНТЕГРА.

Модель ИНТЕГРА Лайф, включает в себя адаптированный для медико-биологического рынка автоматизированный сканирующий зондовый микроскоп в комбинации с различными типами оптических микроскопов (с конденсором NA 0.55) и опции лазерных пинцетов с управляемым оптическим фронтом, обеспечивающий возможность параллельного манипулирования более, чем сотней объектов в жидкостной ячейки с возможностью позиционирования каждого с точностью до нескольких нанометров. Широкий выбор жидкостных ячеек - специализированных камер, обеспечивающих разные режимы работы в жидкой среде, дополняется также значительными возможностями для интеграции различных методических подходов (конфокальная, ближнепольная оптическая микроскопия/спектроскопия и др). Предполагается также значительное усиление диагностических возможностей платформы с включением в нее опций масспектрометрии.

ИНТЕГРА Лайф - объединение СЗМ с инвертированным оптическим микроскопом

СЗМ для образовательного процесса: платформа НАНОЭДЪЮКАТОР - концепция классов «под ключ»

Второй принципиально важный путь развития продиктован адаптацией сложных приборов к возможностям его пользователей. Простота настроек, облегченный «старт» для новичка - веление времени и один из важных критериев оценки качества научного оборудования в будущем.

Компания НТ-МДТ разработала прибор НАНОЭДЬЮКАТОР для практических учебных занятий в области нанотехнологий. Он действительно прост и предельно надежен в эксплуатации. Однако эти качества достигнуты ценой сужения спектра функциональных возможностей, поэтому в серьезных научных исследованиях его не применяют.

С точки зрения эффективности образовательного учреждения ключевое значение имеет время, которое необходимо для того, чтобы поставить новый учебный курс «с нуля». Важно не только приобрести приборы, на которых будут обучаться студенты, но также переработать существующие программы теоретических учебных курсов, подобрать наиболее показательные, «типовые» объекты для учебных исследований, разработать и апробировать методики проведения практических занятий.

Все эти соображения были учтены при разработке коммерческого продукта «НАНОЭДЬЮКАТОР - класс для практических учебных занятий в области нанотехнологий». В комплект поставки, помимо СЗМ устройства, входят учебные пособия по основам сканирующей зондовой микроскопии, разработанные методические рекомендации по проведению практикумов (с подробным описанием лабораторных работ), а также полный набор тестовых учебных образцов. Что касается самих СЗМ приборов, то они характеризуются: а) низкой ценой, б) простотой в использовании и в) устойчивостью к некомпетентности оператора («студентоустойчивостью»).

НАНОЭДЬЮКАТОРЫ являются частью масштабной программы по привлечению школьников и студентов к изучению нанотехнологий. В рамках государственного контракта по заказу Министерства образования и науки РФ эти комплексы уже установлены в 35 учебных заведениях страны и в ближайшем будущем будут установлены ещё в 30 учебных заведений. Всего на сегодняшний день НАНОЭДЬЮКАТОРАМИ оборудовано более 70 учебных лабораторий в России, и более 20 в разных странах мира.

НАНОЭДЬЮКАТОР - класс для преподавания практических навыков в области нанотехнологий

СОЛВЕР Некст - полностью автоматизированный СЗМ

С каждым годом научное оборудование наращивает свою многофункциональность. Это расширяет поле зрения исследователя, но вместе с тем предъявляет к нему более высокие требования. Отсюда необходимость повышения квалификации оператора, увеличение порога обучения новых людей.

В продолжение тенденции упрощения сложного специализированного оборудовании и с целью облегчения адаптации молодых специалистов к оперированию СЗМ был разработан автоматизированный прибор.

Новейшая разработка НТ-МДТ СОЛВЕР Некст, совмещающая простоту и исключительную многофункциональность за счет максимальной автоматизации внутренних настроек.

Полная автоматизация является принципиальной и уникальной особенностью СЗМ СОЛВЕР Некст. С помощью этого прибора даже неквалифицированный оператор может использовать в своих исследованиях потенциал двух главных методов сканирующей зондовой микроскопии: СТМ и АСМ. Полноценная автоматизация стала возможна благодаря разработке и внедрению целого ряда интеллектуальных систем, управляющих расположением образца, созданием вокруг него однородной среды, переключением между режимами сканирования, заменой измерительных головок, юстировкой оптической системы и др.

Полностью автоматизированный СЗМ СОЛВЕР Некст, обладатель R&D 100 Award 2009

Оператору остаётся только установить образец, зонд, выбрать желаемый режим измерений и получить результат. Заметим, в программном обеспечении прибора заложена возможность отключить «автопилот» и настраивать узлы вручную. Это сложно, долго, но позволяет нацелить систему для выполнения узкоспециальных задач и добиться при их решении предельных технических характеристик.

На сегодняшний день СОЛВЕР Некст является первым и единственным полностью автоматизированным СЗМ, совместимым с Mac OS^®.

Все эти технические особенности являются принципиально важными: они открывают дорогу к дальнейшему развитию зондовых микроскопов по пути автоматизации и указывают направление для создания роботизированных исследовательских комплексов по принципу «все в одном». Стратегический потенциал этой концепции был оценен экспертной комиссией, и прибор СОЛВЕР Некст вошёл в список 100 лучших разработок 2009-го года по мнению журнала R&D.

Оборудование для разработок в области наноэлектроники, МЭМС и НЭМС. Следующее из важнейших направлений использования нанотехнологий - наноэлектроника, т.е. разработка и промышленное изготовление наноэлектронных элементов, а также интеграция их с существующими технологиями для миниатюризации электронных устройств. В этом процессе можно выделить три этапа: 1) разработка наноэлектронных элементов, 2) создание наноэлектронных схем и 3) тестирование и определение функциональных характеристик, как отдельных элементов, так и сложных конструкций на их основе. Фактически молекулярный уровень характерных размеров накладывает исключительно жесткие требования по чистоте условий, в частности, большая часть операций должна производиться в условиях сверхвысокого вакуума. Все это естественным образом привело к необходимости создания конвейерных технологических комплексов, в которых все шаги по созданию, модификации наноэлектронных элементов, встраиванию их в более сложные схемы и тестированию свойств осуществляется в рамках единого автоматизированного процесса.

СЗМ аксессуары

Наряду со всеми вышеперечисленными платформами оборудования компания НТ-МДТ также осуществляет производство различных СЗМ аксессуаров: зондов, калибровочных решёток, тестовых образцов и др. Правильный подбор зонда зачастую определяет качество и научную ценность СЗМ изображения: в ассортименте НТ-МДТ имеются зонды, подходящие для любых экспериментов.

Зонды для СЗМ

Для широкого круга исследования предназначены уникальные зонды серии ETALON. Они имеют поликремневую балку с кремниевым зондом высокого разрешения. Благодаря технологии, используемой для производства балки, такие зонды имеют высокие воспроизводимые параметры:

- типичный разброс резонансной частоты зонда: ±10%;

- типичный разброс силовой константы зонда: ±20%.

Поликремниевый зонд серии ETALON

Благодаря тому, что поликремневый материал балки мягче, чем кремний, который обычно используется для производства зондов, обеспечивается низкий уровень шума во время работы в контактной или неконтактной АСМ модах.

Вертикальные боковые стороны чипа делают зонд удобным в работе, т.к. пинцет удерживает чип за его за вертикальные боковые стороны. Это предотвращает переворачивание и выскальзывание зонда.

Пять молекул ДНК, присоединенных к наночастицам золота Изображение получено с помощью зондов серии ETALON. Изображение предоставлено: проф. А.Котляром, Университет Тель-Авива

Размер изображения 1 х 1 мкм

Кремниевые зонды серии GOLDEN также предназначены для большинства АСМ методик. Острие этих зондов 6 нм. Однако их поставки возможны в различной конфигурации: с проводящим (PtIr, TiN, Au, алмазным) и/ или магнитным (CoCr) покрытием.

Наряду с чипами для широкого круга применений, НТ-МДТ предлагает зонды для специализированных исследований:

- Для исследований объектов со слабовыраженным рельефом подойдут зонды серии DLC (diamond like carbon) - алмазоподобная (DLC) нитевидная игла, выращенная на вершине иглы кремниевого зонда (радиус кривизны 1-3 нм).

- Для исследований узких и глубоких объектов серия Whisker Type - выращенные на кончике кремниевого зонда иглы длиной в 1 мкм со сверхвысоким аспектным отношением (радиус кривизны зонда около 10 нм).

- Для токовой нанолитографии предназначены сверхпрочные зонды серии DIAMOND

- Для сканирующего ближнепольного оптического микроскопа - зонды серии «СБОМ»

Калибровочные решётки и тестовые образцы

Такое сложное оборудование как СЗМ требует тщательной настройки как минимум один раз в полгода. Процедура настройки осуществляется с помощью калибровочных решёток и природных тестовых образцов. Благодаря ним существует возможность выверить точность показаний приборов и обнаружить ошибки в расчётах СЗМ до проведения эксперимента. Калибровочные решётки сделаны из кремния, который от природы обладает абсолютно предсказуемой структурой, благодаря чему и достигается точность показаний приборов.

НТ-МДТ выпускает более 6 видов калибровочных решёток, различающихся по предназначению:

- для вертикальной и латеральной калибровки (в т.ч. для одновременной калибровки по X, Y, Z),

- для 3D визуализации иглы зонда,

- для оценки формы иглы (TGT1),

- для определения латеральной нелинейности сканера.

Решётка TGQ1 предназначена для одновременной калибровки по X, Y, Z направлениям, латеральной калибровки и определения нелинейности, гистеризиса, крипа.

Уникальная решётка TGT1 предназначена для оценки и 3d визуализации иглы зонда

Следует также упомянуть, что все калибровочные меры НТ-МДТ внесены в Государственный реестр как средства измерения, обладают европейским сертификатом PTB, и кроме того, могут поставляться с сертификатом о калибровке международного образца.

Приборостроение для нанотехнологии - перспективы развития

Подводя итоги можно сказать, что процесс развития СЗМ оборудования миновал эпоху универсальных приборов и вошел в эпоху специализации. Вектор специализации СЗМ для научных исследований - это а) максимальная гибкость в изменении «научной специальности» (в рамках НаноЛаборатории ИНТЕГРА эта задача решена за счет большого числа специализированных модулей, совместимых с единой общей платформой) и б) возможность интеграции с другими («не СЗМ-ными») исследовательскими подходами. Специализация оборудования для образовательного процесса идет по пути снижения стартового порога - упрощение СЗМ приборов с одной стороны и обеспечение методической базы - с другой. Наконец, специализация СЗМ в составе автоматизированных промышленных комплексов полностью определяется требованиями технологического процесса. Автоматизированные конвейерные комплексы для разработки и изготовления наноэлектронных устройств сейчас находятся в самом начале своего пути, и лишь спустя несколько лет можно будет с определенной долей уверенности предсказывать траекторию их развития.

Отличительной особенностью нового этапа развития группы предприятий НТ-МДТ также является диверсификация производства в сторону комплексного решения проблем оснащения центров нанотехнологии и наноэлектроники современным оборудованием, разработки прототипов которого, в основном, базируются на потенциале как компании, так и российских научных организаций, а опытные конструкторские разработки и производство с последующем сервисным обслуживанием на потенциале группы НТ-МДТ.

Группа компаний НТ-МДТ

Группа компаний «НТ-МДТ» ведет свое начало с 1989 года - именно тогда и была организована компания МДТ с целью реализации накопленного опыта в востребованные на рынке продукты. Одним из проектов МДТ был проект по созданию приборов для визуализации молекул и молекулярных упаковок с возможностями воздействия на единичные молекулярные группировки. Именно это казалось наиболее интересным для обеспечения направления, которое было очегнь интересным основателям компании. Первыми нашими приборами были туннельные микроскопы, а первыми технологическими установками - установки для формирования пленок Ленгмюра-Блоджетт.

Со временем идеология несколько менялась и мы стали разрабатывать приборы для нанодиагностики - сканирующие зогндовые микроскопы, но функция нанолитографии в них оставалась и была весьма развитой.

Всегда хотелось видеть свои приборы лучшими на рынке и не было объяснения, почему этого нельзя достигнуть в стране с сильно развитой наукой. И сегодня свою миссию компания видит в том, чтобы вывести отечественное научное приборостроение на лидирующие позиции мирового рынка. НТ-МДТ движется к достижению этой цели, опираясь на передовые разработки лучших научных коллективов России и мира, а также путем непрерывного самосовершенствования.

Будучи предприятием полного цикла, НТ-МДТ, осуществляет весь комплекс работ: от разработки и производства приборов до маркетинга и продажи их конечным потребителям. Для осуществления такой разноплановой деятельности был создан многопрофильный концерн. В России это компании «Нанотехнология МДТ» (головное предприятие) (г. Зеленоград), «Инструменты нанотехнологий» (г. Москва), «Нанотехнология СПб» (г. Санкт-Петербург). За рубежом - это представительства: NT-MDT Service&Logistics (Ирландия), NT-MDT Europe BV (Голландия), NT-MDT America Inc. (США) и NT-MDT Shanghai (Китай). А также сертифицированные дистрибьюторы, которые работают более чем в 20 странах. Каждый год продукция НТ-МДТ представляется более чем на 120 тематических выставках.

В компании работают более 300 человек, из них 160 имеют высшее образование, 24 - ученую степень (3 доктора наук, 21 кандидат наук). Средний возраст сотрудников 37 лет. Компания тесно взаимодействует с аспирантурами МФТИ и МИЭТ. В настоящее время в них обучаются 7 аспирантов-сотрудников. Политика компании состоит в том, чтобы активно привлекать молодых специалистов - выпускников ведущих вузов (МФТИ, МИЭТ, МГУ им. Ломоносова, МГТУ им. Баумана и др.).

Каждый продукт компании НТ-МДТ - это интеграция целого комплекса передовых технологий, новейшего программного обеспечения, высококачественных микроэлектронных компонентов, прецизионной механики и микроробототехники. Для того, чтобы разработка такого сложного наукоемкого оборудования мирового уровня стала возможной, в НТ-МДТ сделали ставку на грамотную интеграцию современных нанотехнологических инструментов. Как системный бизнес-интегратор компания объединяет вокруг себя исследовательские работы большого числа малых компаний, сотрудничает с ведущими институтами Академии наук, главным координатором науки в области нанотехнологий в нашей стране - Курчатовским институтом, а также с крупными мировыми производителями компонентов и комплектующих.

При этом НТ-МДТ активно ведет собственную деятельность в области R&D, поддерживая экстремально высокие темпы разработок. В своей деятельности компания охватывает все три сферы применения нанотехнологий, создавая оборудование для научных исследований, производственных нужд и образования. В настоящее время продукция компании представлена четырьмя приборными линейками (учебно-образовательный СЗМ комплекс НАНОЭДЮКАТОР, СЗМ для широкого применения СОЛВЕР, зондовые нанолаборатории ИНТЕГРА, НТК НАНОФАБ), а также обширным ассортиментом аксессуаров и расходных материалов.

НТ-МДТ уделяет большое внимание защите интеллектуальной собственности. В настоящее время НТ-МДТ является обладателем 110 патентов как на системы в целом, так и на отдельные компоненты приборов. Компания аккуратно следит за наличием необходимых лицензионных соглашений. Кроме того, НТ-МДТ успешно прошла ресертификационный аудит соответствия системы менеджмента качества на соответствие требованиям международного стандарта ISO 9001 версии 2008 года.

К 2009 году компанией уже успешно реализовано более 2000 приборов, многие из которых работают в крупнейших научных и индустриальных центрах Европы, Азии и Северной Америки. Статьи пользователей оборудования НТ-МДТ публикуются в самых рейтинговых и авторитетных изданиях. В качестве примера можно привести несколько недавних публикаций в журналах Nature, сделанных с использованием продукции НТ-МДТ:

Matteo Mannini et al. Magnetic memory of a single-molecule quantum magnet wired to a gold surface, Nature Materials (2009)

J. Иervenka et al. Room-temperature ferromagnetism in graphite driven by two-dimensional networks of point defects, Nature Physics (2009)

Giada Cellot et al. Carbon nanotubes might improve neuronal performance by favouring electrical shortcuts, Nature Nanotechnology (2008)

Zhijun Hu et al. Regular arrays of highly ordered ferroelectric polymer nanostructures for non-volatile low-voltage memories, Nature Materials (2008)

Всё вышесказанное является дополнительным свидетельством того факта, что сегодня группа компаний НТ-МДТ является безусловным лидером на российском рынке оборудования для нанотехнологий и хорошо известна по всему миру.

Размещено на Allbest.ru