علم القياس النانومتري

فهم القياس النانوي هوحقل فرعي من المترولوجيا، يهتم بفهم القياس على مستوى النانو. فهم القياس النانوي له دور مهم من أجل إنتاج المواد والأجهزة متناهية الصغر مع وجود درجة عالية من الدقة والموثوقية في التصنيع النانوي.

يتمثل التحدي في هذا المجال في تطوير أوإنشاء تقنيات ومعايير قياس جديدة لتلبية احتياجات الجيل التالي من التصنيع المتقدم، والذي سيعتمد على المواد والتقنيات النانومترية. تتجاوز احتياجات قياس وتوصيف هياكل العينة الجديدة وخصائصها قدرات فهم القياس الحالي. سيتطلب التقدم المتسقط في الصناعات الناشئة في مجال تكنولوجيا النانوفي الولايات المتحدة وجود فهم قياس ثوري يتمتع بدقة وقدرة تحليلية أعلى مما كان متصورًا من قبل.

المقدمة

السيطرة على الأبعاد الحرجة هي أبرز العوامل في تكنولوجيا النانو. يعتمد فهم القياس النانوي اليوم، إلى حدٍ كبير على التطور في تكنولوجيا أشباه الموصلات. فهم القياس النانوي هوفهم القياس على مستوى المقياس النانوي. يعادل النانومتر أووحدة القياس إذا إم 10⁻⁹ متر. إذا التحكم الدقيق في أبعاد الأمور في تكنولوجيا النانوأمرًا مهمًا. تختلف الأبعاد النموذجية للنظم النانوية منعشرة نانومتر إلى بضع مئات من نانومتر، بينما يلزم تصنيع مثل هذه الأنظمة حتى 0.1 نانومتر.

يمكن في مقياس النانوملاحظة مختلف الظواهر الفيزيائية الجديدة بسبب الأبعاد الصغيرة. على سبيل المثال، عندماقد يكون حجم البلورة أصغر من المسار الحر لمتوسط الإلكترون تتغير موصلية البلورة. ومن الأمثلة الأخرى على ذلك التخلص من الإجهادات في النظام. يصبح من المهم قياس البارامترات الفيزيائية بحيث تطبق هذه الظواهر في هندسة النظم النانوية وتُصنَّع. يتضمن فهم القياس النانوي قياس الطول أوالحجم، والقوة، والكتلة، والخصائص الكهربائية وغيرها من الخصائص. تكمن المشكلة في كيفية قياسها بدقة وموثوقية. ولا يمكن استعمال تقنيات القياس المستخدمة في أنظمة الماكرومباشرةً لقياس البارامترات في الأنظمة النانوية. طُورت تقنيات مختلفة تعتمد على الظواهر الفيزيائية والتي يمكن استخدامها لقياس أوتحديد بارامترات البنية النانوية والمواد النانوية. بعض الأنواع الشائعة هي تشتت الأشعة السينية، والمجهر الإلكتروني النافذ، والمجهر الإلكتروني عالي الدقة، ومجهر القوة الذرية، والمجهر الإلكتروني الماسح، والفحص المجهري الإلكتروني ذوالإصدار الحقلي وطريقة بروناور، إيميت، تيلر لقياس مساحة سطح محدودة.

تشكل تكنولوجيا النانومجالًا مهمًا نظرًا للعدد الكبير من التطبيقات التي تستخدمها وأصبح من الضروري تطوير تقنيات أكثر دقة للقياس ومعايير مقبولة عالميًا. وبالتالي مطلوب التقدم في مجال فهم القياس النانوي.

احتياجات تطويرية

يمكن تقسيم تكنولوجيا النانوإلى فرعين. الأول هوتقنية النانوالجزيئية التي تنطوي على التصنيع من أسفل إلى أعلى والثاني هوتكنولوجيا النانوالهندسية التي تنطوي على تطوير ومعالجة المواد والأنظمة بمقياس النانو. تختلف أدوات وتقنيات القياس والتصنيع المطلوبة للفرعين قليلًا.

علاوةً على ذلك، تختلف متطلبات فهم القياس النانوي بالنسبة لمؤسسات الصناعة والأبحاث. تَقدم فهم القياس النانوي في مجال الأبحاث بشكلٍ أسرع من تقدمه في مجال الصناعة ويعود ذلك أساسًا إلى صعوبة تطبيق فهم القياس النانوي للصناعة. تُعتبر القدرة التحليلية مهمة في مجال أبحاث فهم القياس النانوي الموجهة بينما تُعطى الأسبقية للدقة في مجال فهم القياس النانوي الصناعي على القدرة التحليلية. بالإضافة إلى ذلك، ونتيجة الأسباب الاقتصادية، من المهم حتى تكون تكاليف الوقت منخفضة في فهم القياس النانوي الصناعي، في حين أنه ليس مهمًا لأبحاث فهم القياس النانوي. تتطلب تقنيات القياس المتنوعة المتاحة اليوم بيئة خاضعة للتحكم مثل الفراغ والاهتزاز وبيئة خالية من الضوضاء. كما تتطلب أيضًا في فهم القياس النانوي الصناعي حتى تكون القياسات أكثر كمية مع الحد الأدنى لعدد البارامترات.

المعايير

المعايير الدولية

معايير فهم القياس هي الأمور أوالأفكار التي صُنفت على أنها موثوقة لسببٍ مقبول. مهما كانت القيمة التي يمتلكونها مفيدة للمقارنة مع المجهول لغرض تحديد أوتأكيد قيمة معينة بناءً على المعيار. المعايرة هي تطبيق مقارنات القياس لغرض إقامة العلاقة بين معيار وبعض أجهزة القياس الأخرى. المعيار المثالي قابل للتكرار بشكلٍ مستقل دون شك. من المتسقط حتى يبلغ حجم السوق العالمية للمنتجات ذات تطبيقات تكنولوجيا النانوبضع مئات من المليار دولار على الأقل في المستقبل القريب. نشرت اللجنة الفنية المعنية بتكنولوجيا النانو(تي سي – 229) التابعة للمنظمة الدولية للمعايير مؤخرًا بعض المعايير للمصطلحات، وتوصيف المواد النانوية والجسيمات النانوية باستخدام أدوات القياس مثل مجهر القوة الذرية (إي إف إم) والمجهر الإلكتروني الماسح (إس إي إم) ومقاييس التداخل والأدوات البصرية السمعية وطرق امتزاز الغاز وما إلى ذلك. نُشرت معايير معينة لتوحيد قياسات الخصائص الكهربائية من قبل اللجنة الكهروتقنية الدولية. بعض المعايير الهامة التي لم تُوضع بعد هي معايير قياس سماكة الأغشية أوالطبقات الرقيقة، وتوصيف السمات السطحية، ومعايير قياس القوة على مقياس النانو، ومعايير توصيف الأبعاد الحرجة للجسيمات النانوية والبنية النانوية، وكذلك معايير قياس الخواص الفيزيائية مثل الموصلية والمرونة وما إلى ذلك.

المعايير الوطنية

نظرًا لأهمية تكنولوجيا النانوفي المستقبل، لدى البلدان حول العالم برامج لوضع معايير وطنية لفهم القياس النانوي وتكنولوجيا النانو. تُشغل هذه البرامج من قبل وكالات المعايير الوطنية في البلدان المعنية. في الولايات المتحدة، يعمل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا على تطوير تقنيات جديدة للقياس على مستوي النانو، كما وضع بعض المعايير الوطنية لتكنولوجيا النانو. هذه المعايير مخصصة لتوصيف الجسيمات النانوية، والخشونة، ومعايير التكبير، ومعايير القياس، إلخ.

المعايرة

من الصعب توفير عينات باستخدام الأجهزة الدقيقة التي يمكن معايرتها في مقياس النانو. معايير المرجعية أوالمعايرة مهمة لضمان التكرار. ولكن لا توجد معايير دولية للمعايرة، كما حتى أدوات المعايرة التي تقدمها الشركة إلى جانب معداتها جيدة فقط لمعايرة تلك المعدات المعينة. وبالتالي، من الصعب اختيار أداة معايرة عالمية يمكننا من خلالها تحقيق التكرار على مقياس النانو. في مقياس النانوأثناء الإشراف على المعايرة، يجب حتى يؤخذ في الاعتبار تأثير العوامل الخارجية مثل الاهتزاز والضوضاء والحركات التي يسببها الانجراف الحراري والزحف والسلوك غير الخطي وتلاكؤ ماسح بيزووالعوامل الداخلية مثل التفاعل بين الأمور الاصطناعية والمعدات التي يمكن حتى تسبب انحرافات كبيرة.

مراجع

^ "Programs of the Manufacturing Engineering Laboratory" (PDF). U.S. National Institute of Standards and Technology. March 2008. مؤرشف من الأصل (PDF) في 01 أبريل 2010. اطلع عليه بتاريخ 04 يوليو2009. نطقب:PD-inline
^ R. V. Lapshin (2004). "Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology" (PDF). Nanotechnology. UK: IOP. 15 (9): 1135–1151. Bibcode:2004Nanot..15.1135L. doi:10.1088/0957-4484/15/9/006. ISSN 0957-4484. مؤرشف من الأصل (PDF) في 28 مارس 2020. (Russian translation is available).