ТЕНДЕНЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ: СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И АНАЛИТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ
В. А. БЫКОВ
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.
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.