Лаборатория метрологического обеспечения наноиндустрии, спектральных методов анализа и стандартных образцов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

РАБОТЫ В ОБЛАСТИ

метрологического обеспечения современных технологий

ЛАБОРАТОРИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАНОИНДУСТРИИ, СПЕКТРАЛЬНЫХ МЕТОДОВ АНАЛИЗА И СТАНДАРТНЫХ ОБРАЗЦОВ

.О.

V

МЕДВЕДЕВСКИХ Сергей Викторович

Заведующий лабораторией метрологического обеспечения наноиндустрии(2008-2012)

СОБИНА Егор Павлович

Заведующий лабораторией метрологического обеспечения наноиндустрии, спектральных методов анализа и СО (с апреля 2012 г.)

УДК 006.91:543.42+006.9:53.089.68

В статье представлены результаты работ по созданию Регионального отделения Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Уральском федеральном округе, который функционирует на базе лаборатории метрологического обеспечения наноиндустрии, спектральных методов анализа и стандартных образцов.

The article presents the results of works on the establishment of "Regional division of the Centre of measurement assurance and conformity assessment of nanotechnologies and nanoindustry products in the Ural Federal District", which operates on the basis of the laboratory of measurement assurance of nanoindustry, spectral methods of analysis and reference materials

Ключевые слова: нанотехнологии, метрологическое обеспечение, референтные лаборатории.

Новые технологии в современном мире требуют получения достоверной информации о показателях качества и безопасности технологического процесса и производимой продукции на всех этапах ее жизненного

цикла от разработки до утилизации. Не являются исключением и нанотехнологии. Получение информации о параметрах нанообъектов

С.В. Медведевских

канд. техн. наук, директор ФГУП «УНИИМ» 620000, г. Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 Тел./факс: (343) 350-60-63

Е.П. Собина

канд. хим. наук, заведующий лабораторией

ФГУП «УНИИМ» 620000, г. Екатеринбург, ул. Красноармейская, 4 Тел./факс: (343) 217-29-25 E-mail:

[email protected]

Таблица 1

Область аккредитации в сфере нанотехнологий

Метрологические характеристики

Наименование группы средств измерений Диапазон измерений Класс, разряд, погрешность

Измерения геометрических величин

Микроскопы электронные растровые измерительные (1-1000) нм ±(0,1-40) нм

Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые измерительные (1-1000) нм ±(0,1-40) нм

Микроскопы сканирующие зондовые атомно-силовые (1-1000) нм ±(0,1-40) нм

Средства измерений длины (оптические и механические профило-метры) (1-1000) нм ±(0,1-40) нм

Микроскопы (электронные растровые, сканирующие зондовые, атом-но-силовые) (1-1000) нм (0,1-40) нм

Микроскопы электронные просвечивающие (1-100 000) нм ±5 % отн.

Измерения физико-химического состава и свойств веществ и материалов

Микроскопы электронные растровые с системой энергодисперсионного микроанализа - микроанализаторы рентгеноспектральные твердых веществ (1-1000) нм Массовая доля (10-3-100) % ± (0,1-40) нм ± (0,1-10) %

Анализаторы размера частиц лазерные (0,6-2 106) нм ± (5-20) %

Анализаторы удельной поверхности, поромеры (0,35-500) нм ± (2-10) %

Микроскопы электронные - микроанализаторы рентгеноспектральные твердых веществ; спектрометры со сканирующим микроскопом; рент-генофлуоресцентные микроскопы (10-3-100) % ± (0,1-10) %

Теплофизические и температурные измерения

Средства измерений температуропроводности (0,1-3000)10-7 м2/с ± 8 %

Средства измерений теплопроводности (0,1-60) Втм1 ■ К-1 ± (5-15) 10-2

Средства измерений температурного коэффициента линейного расширения (дилатометры, термомеханические анализаторы) (0,05-24) 10-6 К-1 от 273 до 1800 К ± (4,0-20) 10-8 К-1

Измерения электрических и магнитных величин

Средства измерений магнитотвердых материалов, в том числе нано-материалов (0,1-2,5) Тл (0,1-2500) кА/м ± (1-5) % ± (2-5) %

Средства измерений электрического сопротивления магнитных нано-материалов (1-7000) кА/м (0,2-10) 106 Ом ± (5-20) % ± (1-10) %

СегйАес! |^егепсе Ма1ег1а!Б № 3, 2012 ^^

связано с использованием дорогостоящего измерительного оборудования, применение которого сопряжено со сложными измерительными процедурами, реализуемыми высококвалифицированными специалистами. Кроме того, для оценки характеристик наноматериалов и продукции с их использованием необходимо создание методик измерений для широкого спектра методов (от электронной просвечивающей микроскопии до масс-спектрометрии вторичных ионов). Требование доступности этих методов для широкого круга производителей и потребителей нанопродукции на всей территории России обусловило необходимость создания в РФ распределенного по региональному и отраслевому признакам центров метрологического обеспечения и оценки соответствия наноматериалов и продукции наноиндустрии.

За период с 2008 по 2009 г. созданы элементы инфраструктуры Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции на-ноиндустрии в Уральском федеральном округе. В состав центра входят 6 институтов УрО РАН, 4 крупнейших вуза, 3 центра стандартизации и метрологии, а также 28 научно-производственных и других предприятий.

Основными функциями отделения центра являются:

1) координация работ по обеспечению единства измерений и оценке соответствия;

2) мониторинг и анализ измерительных и нормативно-методических потребностей;

3) работы по обеспечению единства измерений в соответствии с [1-5];

4) работы по оценке соответствия;

5) работы по стандартизации;

6) испытания средств измерения (СИ) и стандартных образцов (СО), поверка, калибровка средств измерения;

7) аттестация методик измерений;

8) аккредитация лабораторий и метрологических служб;

9) испытания и сертификация наноматериалов;

10) проверка квалификации лабораторий, в том числе посредством межлабораторных сравнительных испытаний;

11) разработка и экспертиза организационных и методических документов;

12) подготовка кадров.

В настоящее время региональное отделение центра в УрФО функционирует на базе лаборатории метрологического обеспечения наноиндустрии, спектральных методов анализа и стандартных образцов.

Для метрологического обеспечения измерений в ФГУП «УНИИМ» разработаны и утверждены 8 государственных первичных эталонов, 3 из которых применяются в области

наноиндустрии. В рамках отделения центра в УрФО используется более 50 методик калибровки и поверки, порядка 60 методик измерений и испытаний, а также более 300 стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов. Для метрологического обеспечения микроскопов сканирующих зондовых атомно-силовых и электронных растровых в отделении центра применяется эталонная мера ширины и периода специальная МШПС-2.0К.

Область аккредитации в сфере нанотехнологий представлена в табл. 1 (с. 86).

В 2010 г. проведены работы по аккредитации Испытательного центра веществ, материалов и продукции наноиндустрии ФГУП «УНИИМ», который входит в состав Регионального отделения Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Уральском федеральном округе, а в течение 2011 г. была существенно расширена область его аккредитации (табл. 2).

Таблица 2

Обобщенная область аккредитации ИЦ веществ, материалов и продукции наноиндустрии ФГУП «УНИИМ» (Аттестат аккредитации № РОСС Ри.0001.22НН02, действителен до 19.11.2014)

Наименование характеристик свойств и состава веществ, материалов и продукции наноиндустрии

Геометрические параметры (линейные размеры, размер частиц, толщина, параметры рельефа, шероховатость и т.д.)

Параметры структуры (плотность, вязкость, пористость, удельная поверхность, объем и размер пор, сорбционная емкость и др.)

Химический и фазовый состав (элементный состав, параметры кристаллической решетки и др.)

Механические характеристики (твердость, придел прочности при изгибе, прокаливаемость и др.)

Электрические параметры (удельное, объемное, поверхностное сопротивление, магнитосопротивление)

Магнитные параметры (коэрцитивная сила, остаточная индукция и др.)

Теплофизические параметры (теплопроводность, коэффициент термического и изотермического расширения, удельная теплота плавления и др.)

Оптические параметры (показатель преломления, коэффициент диффузного отражения, оптическая плотность и др.)

Таблица 3

База данных референтных лабораторий параметров наноматериалов в УрФО

Название референтной лаборатории Номер по базе РЛ

Лаборатория метрологического обеспечения сертификационных испытаний веществ и материалов (ФГУП «УНИИМ») 01- -2011 -им 1М

Лаборатория физических и химических методов метрологической аттестации СО (ФГУП «УНИИМ») 02- -2011 -им 1М

Лаборатория метрологии термометрии и поверхностной плотности (ФГУП «УНИИМ») 03- -2011 -им 1М

Лаборатория аналитической химии (ИМЕТ УрО РАН) 04- -2011 -им 1М

Лаборатория атомной спектроскопии (УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина) 05- -2011 -им 1М

Лаборатория микроскопии (УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина) 06- -2011 -им 1М

Лаборатория пленочных микро- и наноструктур (УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина) 07- -2011 -им 1М

Таблица 4

Стандартные образцы, разработанные совместно с институтами УрО РАН и УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Разработанные стандартные образцы Соисполнитель Потребители

Стандартный образец утвержденного типа состава, поверхностной плотности и толщины нанопокрытия пермаллоя на кремнии (НПК-40 СО УНИИМ) ГСО 9936-2011 УрФУ имени ФГУП «НПО автома-первого тики имени академи-Президента России ка А.Н. Семихатова»

Стандартный образец утвержденного типа состава, поверхностной плотности и толщины нанопокрытия пермаллоя на кремнии (НПК-100 СО УНИИМ) ГСО 9937-2011 Б.Н. Ельцина (г. Екатеринбург) (г. Екатеринбург) ЗАО «НПК «ВИП» (г. Екатеринбург)

Стандартный образец утвержденного типа электрических и магнитных характеристик нанопокрытия пермаллоя на кремнии (НПС-40 СО УНИИМ) ГСО 9938-2011

Стандартный образец утвержденного типа электрических и магнитных характеристик нанопокрытия пермаллоя на кремнии (НПС-100 СО УНИИМ) ГСО 9939-2011

Стандартный образец удельной поверхности наноструктурирован- ООО НПП ООО НПП «Металлы ного порошка иридия ГСО 9943-2011 «Металлы Урала» Урала» (г. Екатерин- (г. Екатеринбург) бург)

Стандартный образец нанопористых модифицированных силикаге- ИОС УрО РАН ОАО «НПП Нефте-лей (комплект НМС СО УНИИМ) ГСО 9935-2011 (г. Екатеринбург) хим» (г.Краснодар)

Стандартный образец массовой доли серебра в коллоидном рас- -творе наночастиц серебра (НКС СО УНИИМ) ГСО 9942-2011 ЗАО «Концерн «Наноиндустрия»

Стандартный образец параметров поверхностного плазмонного ИМЕТ УрО РАН резонанса наночастиц серебра в коллоидном растворе (г. Екатеринбург) (ППР СО УНИИМ) ГСО 9941-2011 (г. Москва)

СегШес! 1^егепсе Магепак № 3, 2012 ^^

В целях обеспечения прослеживаемости путем передачи единиц от Государственных первичных эталонов в испытательные лаборатории для анализа веществ сложного состава в 2011 г. на базе Испытательного центра веществ, материалов и продукции наноиндус-трии сформирована сеть референтных лабораторий параметров наноматериалов (табл. 3, с. 88).

Референтные лаборатории параметров наноматериалов обеспечивают прослеживаемость результатов измерений и подтвердили свои измерительные возможности при разработке методик измерений и стандартных образцов параметров и характеристик наноматериалов, необходимых для запуска и контроля производства конкретных видов нанопродукции на предприятиях УрФО.

В течение 2011 г. в рамках Федеральной целевой программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы» выполнены совместные проекты с институтами УрО РАН и УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина,

которые позволили создать 8 типов стандартных образцов (табл. 4, с. 88) и провести аттестацию 12 методик измерений.

Разработанные методики измерений и стандартные образцы используются для контроля качества выпускаемой продукции, а также калибровки и градуировки применяемых средств измерений, в частности следующими организациями УрФО: НПП «Автохим» (г. Екатеринбург), «Лукойл», «Тосол-Синтез», УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, ИОС УрО РАН, НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова и ЗАО НПК «ВИП» г. Екатеринбург.

Лаборатория метрологического обеспечения наноиндустрии, спектральных методов анализа и стандартных образцов непрерывно совершенствует эталонную базу для метрологического обеспечения измерений, а также для анализа веществ, материалов, в том числе наноматериалов. Основное эталонное оборудование представлено в табл. 5.

Таблица 5

Государственный вторичный эталон единицы массовой доли и массовой (молярной) концентрации металлов в жидких и твердых веществах и материалах ГВЭТ

Спектрометр атомно-эмиссионный с индуктивно-связанной плазмой Optima 7300DV

Масс-спектрометр с индуктивно-связанной плазмой NexION 300D

Метрологические характеристики

Для твердых веществ и материалов

- Диапазон воспроизводимых значений массовой доли металлов для твердых веществ и материалов от 1 ■ 10-3 до 60 %

- Границы относительной суммарной погрешности результата воспроизведения массовой доли металлов для твердых веществ и материалов (Р = 0,95) ± (2-8) %

- Расширенная неопределенность воспроизведения массовой доли металлов для твердых веществ и материалов в относительной форме (к = 2) ± (2-7) %

Для жидких веществ и материалов

- Диапазон воспроизводимых значений для жидких веществ и материалов:

• массовая доля металла от 1 ■ 10-4 до 60, %

• массовая концентрация металла от 1 ■ 10-4 до 100 г/дм3

• молярная концентрация металла от 2■ 10-5 до 2 моль/дм3

- Границы относительной суммарной погрешности результата воспроизведения массовой доли и массовой (молярной) концентрации металлов для жидких веществ и материалов

(Р = 0,95) ± (1-2)%

- Расширенная неопределенность воспроизведения массовой доли металлов для жидких веществ и материалов в относительной форме (к = 2) ± (1-2) %

Окончание табл. 5

Эталонная установка единицы удельной адсорбции газов твердыми веществами и материалами

(ведется разработка на базе анализатора газового адсорбционного ASAP 2020 МР)

Метрологические характеристики

- Диапазон измерений удельной адсорбции газов твердыми веществами и материалами от 0,004 до 245 моль/кг с дальнейшим определением функциональных характеристик в диапазонах:

удельная поверхность от 0,1 до 2000 м2/г удельный объем пор от 50 до 1000 мм3/г размер пор от 0,4 до 50 нм

- Пределы допускаемой относительной погрешности измерений удельной адсорбции ±2,0 %

Рабочий эталон единиц длины «Мера ширины и периода специальная МШПС-2.0К»

Метрологические характеристики

- Номинальное значение шага шаговой структуры 2,001 мкм

- Значение ширины верхнего основания 624 нм

- Значение высоты выступов 567 нм

- Значение величины проекции боковой стенки выступа шаговой структуры меры на плоскость нижнего основания 401 нм Неравномерность ширины верхнего основания выступов в шаговых структурах меры 2 нм

Выполненные работы дают возможность производителям и потребителям нанопродукции региона получить полный комплекс необходимых метрологических услуг, а также услуг по испытаниям и сертификации нано-материалов и продукции на их основе. В дальнейшем планируются следующие работы:

• мониторинг потребностей в измерениях и оценки соответствия веществ, материалов и продукции нано-индустрии в УрФО;

• мероприятия по обеспечению прослеживаемости измерений, по сотрудничеству с другими предприятиями наноиндустрии в России и за рубежом;

• создание на базе ФГУП «УНИИМ» кафедры УФАСМС «Метрологическое обеспечение и оценка соответствия нанотехнологий, продукции наноиндустрии и стандартных образцов»;

• разработка методик измерений параметров нано-материалов, а также СО состава и свойств наноматери-

алов (металлические наноструктурированные порошки, наночастицы металлов и оксидов металлов в коллоидных растворах, дисперсные нанопористые вещества, магни-торезистивные среды и пленочные среды и др.).

Создание СО проводилось в рамках государственного контракта 120-150 «Развитие методической составляющей регионального отделения Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Уральском федеральном округе». Проведенные работы демонстирируют хорошее взаимодействие между Региональным отделением Центра метрологического обеспечения и оценки соответствия нанотехнологий и продукции наноиндустрии в Уральском федеральном округе (отделение Центра в УрФО) и участниками отделения Центра в УрФО - Институтом естественных наук Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.

Certified Reference Materials № 3, 2012

Э Литература

1. МИ 3290 Государственная система обеспечения единства измерений. Рекомендация по подготовке, оформлению и рассмотрению материалов испытаний средств измерений в целях утверждения типа.

2. РМГ 93-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Оценивание метрологических характеристик стандартных образцов.

3. РМГ 53-2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы. Оценивание метрологических характеристик с использованием эталонов и образцовых средств измерений.

4. МИ 3300-2010 Государственная система обеспечения единства измерений. Рекомендации по подготовке, оформлению и рассмотрению материалов испытаний стандартных образцов в целях утверждения типа.

5. ГОСТ 8.315-97 Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов. Основные положения.

Сотрудники лаб. 251: Мигаль П.В., Табатчикова Т.Н., Корюкова В.А., Горбунова Е.М., Сторожкова Д.В.,

Собина Е.П.