КОНЦЕРН
«НАНОИНДУСТРИЯ»

ИНСТИТУТ
НАНОТЕХНОЛОГИЙ МФК

О Т   Л А Б О Р А Т О Р И И  К  И Н Д У С Т Р И И

  Главная страница О нас Продукция Услуги Компетенция Партнеры Контакты Карта сайта  
Тел./факс +7 (499) 135-80-90, E-mail: nanotech@nanotech.ru


ЛАБОРАТОРНЫЙ НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС "УМКА"
на базе сканирующего туннельного микроскопа

Заветное желание ученых (и не только ученых) на протяжении многих лет - непосредственное наблюдение за поведением отдельных атомов на поверхности и изучение процессов с участием одиночных или небольших групп атомов.
Поэтому физика поверхностных явлений - один из наиболее интенсивно развивающихся в настоящее время разделов науки. В частности, на исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, гетерогенного катализа, космических технологий и т.д. Благодаря этому  исследование разнообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происходящих на поверхности тел, сохраняет свою актуальность. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) УМКА с атомно-молекулярным разрешением

Такую возможность исследователям дают сканирующие туннельные микроскопы (СТМ), особое место среди которых занимает современный отечественный Нанотехнологический комплекс "Умка", выпускаемый Институтом нанотехнологий МФК на базе СТМ собственной разработки.

НТК "Умка" является прекрасным инструментом не только для обучения практическим методам работы с наноразмерными структурами. Он также с успехом используется в университетских и научных лабораториях для исследований в области физики, химии, биологии, медицины, материаловедения и других фундаментальных и прикладных наук. Кроме того,  перспективным направлением является внедрение предлагаемого НТК "Умка"  в системах контроля высокотехнологичных промышленных предприятий, организаций, связанных с проверкой качества продукции и состояния экологии.

 

НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «УМКА» ХАРАКТЕРИЗУЕТСЯ
ОПТИМАЛЬНЫМ  СООТНОШЕНИЕМ ЦЕНА/КАЧЕСТВО
 

 

НАВИГАЦИЯ ПО СТРАНИЦЕ

Лабораторный нанотехнологический комплекс (НТК) «Умка» разработан и производится автономной некоммерческой организацией «Институт нанотехнологий Международного фонда конверсии» на базе усовершенствованного в 2010 году сканирующего туннельного микроскопа модели «Умка-02-U» собственной разработки.

НАЗНАЧЕНИЕ ПРИБОРА

 Входящий в НТК «Умка» сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) «Умка-02-U» (Рис.1) относится к зондовым микроскопам, используемым для исследования неразрушающим методом свойств материалов и топографии поверхностей на атомарно-молекулярном уровне. При помощи СТМ "Умка-02-U" можно проводить исследования в воздушной атмосфере, как проводящих, так и , что отличает его от предшествующих моделей, слабопроводящих материаов ( в т.ч. биологических объектов  и их фрагментов размером не более 5-6 мкм), а также полупроводников.
Рис. 1. Сканирующий туннельный микроскоп УМКА

Функциональные возможности

Прибор позволяет:
  • определять топологию поверхности образцов в виде чётких 2D- и 3D-изображений с атомарным разрешением;
  • определять работу выхода и импеданса - определение примесей в исследуемом материале; измерять вольт-амперные и дифференциальные характеристики материала (определение типа проводимости материала, анализ структур проводящих и магнитных образцов) на атомно-молекулярном уровне;
  • определять примеси в исследуемом материале;

  • измерять параметры профиля (шероховатость, размер включений и наночастиц);

  • измерять все типы дифференциальных спектров: dI/dU, dI/dH, dH/dU, а реализованные алгоритмы обработки данных - определять амплитуду и сдвиг фаз между измеряемыми каналами. Это дает возможность использовать комплекс при изучении коррозии, в том числе и гетерогенных материалов, позволяя четко определять структуру «зёрен» разного состава, исследовать композитные материалы, различать зоны с разным типом проводимости и уровнем легирования в полупроводниках.

  • осуществлять оценку длительного внешнего воздействия на образцы в режиме реального времени (in situ) (определение коррозионной устойчивости, радиационного воздействия и т.д.).

Кроме того, НТК "Умка" позволяет выполнять работы, требующие определение характеристик материалов и сред на атомно-молекулярном уровне и проводить их анализ (в т.ч. анализ состояния покрытий и поверхностей обработанных деталей; исследование электропроводящих поверхностей, коррозии и т.д.)

ОПИСАНИЕ ПРИБОРА

Принцип работы

Основой нанотехнологического комплекса "Умка" является сканирующий туннельный микроскоп "Умка-02-U". Эта модель СТМ, разработанная и запущенная в производство в 2010 году, является дальнейшим развитием линейки СТМ созданных в ИНАТ МФК. По своим функциональным возможностям она объединяет  известные уже СТМ "Умка-02-Е" (базовая, учебная модель) и "Умка-02-L (предназначенная для слабопроводящих материалов и биологических объектов).
СТМ "Умка-02-U" - небольшой и компактный прибор (рис.1), который может быть подключен к ПК, и управляться с его помощью, что существенно облегчает работу с данными и их обработкой. Современный компьютер позволяет оперативно осуществлять обработку изображений: строить трехмерные изображения поверхностей, поворачивая их под разными углами, меняя их цвета, используя разные графические эффекты и т.д.
Принцип работы туннельного микроскопа имеет значительное отличие от всех других микроскопов и основан на квантовой природе частиц. В основе его работы лежит туннельный эффект - явление туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и образцом во внешнем электрическом поле. СТМ осуществляет детектирование локального взаимодействия (изменение силы тока), возникающего между зондом и поверхностью исследуемого образца при их взаимном сближении. При этом в цепь, состоящую из иголки (зонда), образца и источника напряжения, поступает ток. Данные о материале и топографии поверхности получают при изменении расстояния между образцом и иглой (уменьшении туннельного зазора) либо по изменению величины туннельного тока. С помощью СТМ можно получить изображение поверхности вплоть до атомарного разрешения.
Рис.2
1 – Зонд; 2 – Пьезоэлектрический двигатель, 3 – Усилитель туннельного тока; 4- Модуль обратной связи; 5 – Образец, 6 – Источник напряжения.
Схематически это выглядит следующим образом (рис.2). Между зондом (1) и исследуемым образцом прикладывается небольшая разность потенциалов. Величина приложенного напряжения должна соответствовать величине барьера: если приложить слишком большое напряжение, то вместо туннельного тока можно получить ионную эмиссию. Зонд микроскопа, укреплённый на пьезодвигателе (2), перемещается  над образцом (5), не касаясь его,  последовательно по линиям-строчкам (сканирует образец), образуя полный кадр. Частота сканируемых строк при этом зависит от требуемого разрешения изображения (скана). Туннельный ток, пройдя через усилитель (3), подается на модуль обратной связи (4), который управляет движением зонда.
В СТМ «Умка-02-U» используются зонды из вольфрамовой  проволоки,  заточенные до размера, не более 30 нм. Изготовление зондов осуществляется методом электрохимического травления с помощью специальной Установки для заточки зондов разработки ИНАТ МФК.
Требования к исследуемому образцу:
  • форма - плоская квадратная пластинка со стороной примерно 10 мм;
  • поверхность - гладкая;
  • материал - электропроводящий, слабопроводящий или полупроводниковый ( для биологических объектов - соответственно подобранная подложка).

 

В СТМ "Умка-02-U" зонд расположен горизонтально (Рис. 3). Образец располагают на направляющих на некотором расстоянии от острия зонда, а затем включают автоматический подвод. Подвод осуществляется с помощью пьезокерамических трубчатых элементов.
Для контролируемого перемещения иглы на сверхмалые расстояния, в СТМ используются два пьезоэлектрических двигателя. Их задача – обеспечить прецизионное механическое сканирование зондом исследуемого образца. С помощью системы грубого позиционирования образец подводится к зонду. По мере их сближения в цепи появляется туннельный ток. Как только он достигает определенного значения, начинается мягкий подвод.
 Такая схема обеспечивает автоматическое точное позиционирование образца и не дает зонду «воткнуться» в поверхность образца.

Головка сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) УМКА
Рис 3.

Технические характеристики:

Разрешение
атомарное, молекулярное
Размер образца (мм)
8 х 8 х (0,5÷4,0)
Поле сканирования (мкм)
6 х 6 ±1
Шаг сканирования в плоскости образца в полном поле/ в режиме 1:10, (нм)
0,08/0,008
Диапазон высот (мкм)
1± 0,2
Шаг измерения по вертикали (нм)
<0,02
У с т а н а в л и в а е м ы е   п а р а м е т р ы :
    - напряжение на туннельном зазоре (В)
0 ±  2,3
    - туннельный ток (пА)
60 ÷ 5000
Шаг задания (измерения) напряжение туннельного зазора (мВ)
0,04
П а р а м е т р ы   с и г н а л а   д л я    т у н н е л ь н о г о  п р о м е ж у т к а :
Форма сигнала
произвольная;
программно-задаваемая
Частота (кГц)
10 ÷ 100
Время сканирования кадра 3*3 нм с атомарным разрешением, не более
<7 сек
Время сканирования кадра 5*5 мкм, не более
<4 мин
Время выхода системы на рабочий режим, не более
<2 мин
Э л е к т р о п и т а н и е   от   с е т и   п е р е м е н н о г о   т о к а:
- напряжение
220В
- частота
50 Гц
Потребляемая мощность
50 Вт
Р е ж и м ы    р а б о т ы :
    - сканирования по постоянному току;
    - сканирования с постоянной высотой;
    - измерение вольт-амперной характеристики поверхности.

Примеры сканов, полученных с помощью НТК «Умка»

Островковая пленка графита
на
поверхности золота,
5.12 х 5.12
мкм
Пленка со стенок ТОКОМАКа,
0.39х0.39 мкм
Углеродная нанотрубка
на поверхности графитовой бумаги,
0.31х0.31 мкм
Скан образца пленки графита. получено на СТМ УМКА. Скан пленки на поверхности ТОКОМАКа, полученный на СТМ УМКА. Скан углеродной нанотрубки, полученный на СТМ УМКА
Предлагаем посмотреть галерею других изображений, полученных с помощью НТК «Умка» (файл объемом 1,1 Мб.)

ОСНОВНЫЕ ДОСТОИНСТВА

  • высокая надежность и достоверность получаемых результатов;
  • возможность проводить исследования в обычной атмосфере, при различных температурах и давлениях;
  • неразрушающий характер исследования;
  • оперативность получения результатов сканирования и измерения характеристик;
  • обеспечение «мягкого» (без «втыкания») подвода иглы (зонда) к поверхности образца (с вероятностью более 90%), что     сохраняет острие зонда и продлевает срок его работоспособности;
  • высокая скорость сканирования;
  • отсутствие механических элементов, требующих точной юстировки, настройки, смазки или профилактического обслуживания;
  • высокая температурная стабильность, позволяющая проводить длительные манипуляции с отдельными группами атомов;
  • повышенная виброустойчивость, акустическая и электропомехозащищенность;
  • низкий уровень собственных шумов;
  • использование в программном обеспечении «интеллектуальных» алгоритмов сканирования и подвода зонда к поверхности;
  • современное программное обеспечение открытой архитектуры, позволяющее  пользователям подключать другие приборы и использовать свои вычислительные программы;
  • простота в использовании и обслуживании;
  • не требует специального обучения (закрепление образца и смена иглы - на уровне простейших лаборантских навыков);
  • неприхотливость (способен работать в обычных помещениях  - аналогах офисным (в аудиториях, на выставках и т.д);
  • малые габариты.
По своим техническим характеристикам комплекс «УМКА» соответствует лучшим СТМ, представленным на международном рынке, однако значительно проще в работе и дешевле. Это создает реальные предпосылки для массового использования комплекса, как в научной сфере и сфере подготовки профессиональных кадров, так и во многих отраслях российской промышленности с целью их технологического перевооружения, отвечающего современным требованиям научно-технического прогресса.

НТК «УМКА» отмечен:

  • Почетным дипломом III-й Специализированной выставки «НАНОТЕХНОЛОГИЙ И МАТЕРИАЛОВ–NTMEX-2006». Москва, здание Правительства Москвы 5 - 7 декабря 2006 года.
  • Дипломом и медалью 8-й Специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК». Москва, ВВЦ 2 - 5 октября 2007.
  • Дипломом и медалью 9-й специализированной выставки «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК». Москва, ВВЦ 24-28 октября 2008 года.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ

Комплекс может быть использован в научно-образовательной сфере для:
  • обучения студентов, аспирантов и дипломированных специалистов различных специальностей работам на атомно-молекулярном уровне;
  • выполнения фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ (в том числе, в физике поверхности твёрдого тела, материаловедении, наноэлектронике, гетерогенном катализе, в сфере космических технологий, биологии и т.д.) на атомно-молекулярном уровне в научных организациях и университетских лабораториях;
  • осуществления просветительской работы в сфере нанотехнологий среди школьников и различных слоёв населения.
Технические характеристики входящего в НТК «Умка» сканирующего туннельного микроскопа позволяют использовать его в различных отраслях реальной экономики.
Использование в промышленных отраслях  должно способствовать подъёму уровня контроля качества производимой продукции, поскольку НТК "Умка" даёт возможность осуществлять на атомно-молекулярном уровне:
  • исследование материалов и поверхностей продукции  методами туннельной микроскопии и спектроскопии.
  • работы, требующие определения характеристик материалов и сред  и их анализ (в частности, анализ состояния покрытий и поверхностей обработанных деталей; исследование электропроводящих поверхностей, зарождение коррозии; экспресс-анализ в криминалистических лабораториях и т.д.).
В медицине, биологии и экологии  НТК "Умка" позволяет:
  • выполнять исследования различных биологических объектов   (молекул ДНК, РНК, частей вирусов и бактерий; изучение срезов биологических тканей: реутиказона и пр.) размером, до 5-6 мкм
  • проводить тонкие анализы на атомно-молекулярном уровне в лабораториях (что, в частности, открывает новые возможности в диагностике заболеваний и в борьбе за здоровье людей, животных).

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ

Обладая выигрышным для пользователей соотношением ЦЕНА-КАЧЕСТВО-УДОБСТВО И ПРОСТОТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, НТК «УМКА» конкурентоспособен как на отечественном, так и международном рынках.
К настоящему времени по результатам конкурсов котировки цены и открытых аукционов НТК «Умка-02Е» и комплекс «NANOskill» приобрели около 100 научных организаций, университетов и научно- производственных предприятий, в том числе РНЦ «Курчатовский институт», Центр имени М.В. Келдыша, ЦНИИТМАШ, Институт биологического приборостроения РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова, СТАНКИН, Астраханский, Саратовский и другие государственные университеты во многих регионах России.
Кубанский государственный университет приобрёл 10 комплексов «Умка-02-Е» для обучения студентов, по специальности «Нанотехнология» и проведения научно-исследовательских работ в области анализа структур проводящих и магнитных образцов на атомно-молекулярном уровне. 5 комплексов «Рабочее место «NANOskill» приобретены МГТУ им. Н.Э.Баумана. Два НТК «Умка-02-Е» входят в состав оборудования «Нанотрака» - первого в России передвижного учебного класса «Нанотехнологии и наноматериалы», созданного по заказу Московского комитета по науке и технологиям для системы школьного образования.

КОМПЛЕКТАЦИЯ

Минимальный комплект поставки НТК «Умка» включает:
  • блок пьезоманипуляторов, с системой виброизоляции;
  • блок управления;
  • программное обеспечение блока управления;
  • наборы тестовых образцов, материалов, инструментов;
  • учебный фильм;
  • руководство пользователя;
  • паспорт.
Комплекс Рабочее место «NANOskill», предлагаемый, прежде всего, университетам и другим ВУЗам, в составе:
  • НТК «УМКА»;
  • Установка для заточки зондов;
  • персональный компьютер (включая ЖК монитор, клавиатуру, мышь и провода) с характеристиками, обеспечивающими работу НТК «Умка»;
  • методические материалы для подготовки лабораторных работ по специализации «Нанотехнологии» (5 шт.).

СОПУТСТВУЮЩИЕ ТОВАРЫ:

  • вольфрамовые зонды (иглы) для СТМ с электрохимическойзаточкой;
  • методические материалы для подготовки лабораторных работ по специализации "Нанотехнологии"
  • наборы тестовых образцов для СТМ и для проведения лабораторных работ по нанотехнологиям.

ОБУЧЕНИЕ

При концерне "Наноиндустрия" действует Инженерно-образовательный центр, где  можно овладеть основными приемами и необходимыми навыками работы с НТК "УМКА".
В случае необходимости, представителям заинтересованных организаций  может быть предоставлена возможность предварительно посетить Инженерно-образовательный центр и ознакомиться с оборудованием, а также предварительно оценить возможности комплекса "Умка" для решения конкретных задач на собственных образцах.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА.  Вопросы и замечания, связанные с эксплуатацией НТК "Умка",  предлагаем  присылать по электронной почте.
ЗАПРОСЫ НА ПОСТАВКУ комплекса "Умка" и сопутствующих товаров направляйте, пожалуйста, по электронной почте.
 

Copyright © 2009-2014   Концерн "Наноиндустрия"                Web-master

Обновлено 30.10.2014