А. В. Афанасьев, А. С. Иванов, В. А. Ильин, В. В. Лучинин

ЛАБОРАТОРНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА

В ИНТЕРЕСАХ НАНОИНДУСТРИИ

Введение

Важнейшим элементом обеспечения качества образования в сфере наноиндустрии с учетом характерного для нее поискового и междисциплинарного характера исследований и разработок является лабо- раторно-экспериментальная база.

Быстрорастущий спрос на квалифицированные кадры для российской наноиндустрии требует опережающего методического и матери- ально-технического обеспечения образовательного процесса. Введение новых образовательных стандартов при подготовке бакалавров и магистров по направлениям «Электроника и наноэлектроника», «Нанотехнологии и микросистемная техника», «Наносистемы и наноматериалы», «Наноинженерия» предполагает повышение роли лабораторно-практи- ческой подготовки и интерактивных форм обучения. Учитывая высокую стоимость современного аналитического и технологического оборудования и значительные затраты на его эксплуатацию, разработка лабора- торно-методической базы образовательного процесса в области нанотехнологии и нанодиагностики является крайне актуальной.

В настоящей статье рассмотрены два возможных подхода к лабораторному обеспечению образовательного процесса:

–традиционный, основанный на использовании специализированной лабораторно-инструментальной базы в виде модульной малобюджетной учебно-научной лаборатории;

–интерактивный, основанный на организации сетевой системы дистанционного доступа к многофункциональному аналитико-техно- логическому оборудованию.

Оба подхода были реализованы в СПбГЭТУ«ЛЭТИ» в рамках госконтракта №67/2009-0760М/6847/ЦМИД-187 от 28.04.2009 «Ком-

плект специального технологического оборудования» и госконтракта

178

№16.647.12.2021 от 25.11.2010 «Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ по сверхпрецизионному наноразмерному травлению, нанесению и модифицированию материалов с использованием остросфокусированных ионных пучков и виртуальных симуляторов указанных процессов».

Модульная малобюджетная учебно-научная лаборатория «Нанотехнологии и нанодиагностика»

Анализ основных тенденций развития экспериментальной базы нанотехнологии, методов и средств исследования нанообъектов позволяет сформулировать основные требования к создаваемой учебно-на- учной лаборатории:

–широта охвата научно-образовательных направлений;

–гибкая востребованность номенклатуры малогабаритного технологического и контрольно-диагностического оборудования;

–доступность в отношении приобретения, размещения и эксплуатации оборудования;

–наличие методического обеспечения для быстрой адаптации оборудования к образовательному процессу.

Разработанная в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» учебно-научная лаборатория включает две базовые составляющие: комплекс технологического оборудования с соответствующим методическим обеспечением и -ком плекс диагностического оборудования, включая методики и специализированные программные средства.

Основной особенностью лаборатории является интеграция в ее структуре современных базовых процессов нанотехнологий и высоколокальных методов анализа и диагностики продуктов этих технологий

–наноразмерных материалов и структур с пониженной размерностью для приборов различного функционального назначения.

В состав лаборатории входят двенадцать малогабаритных лабораторных установок с методическим и программным обеспечением, распределенных по двум секторам – сектору нанотехнологии и сектору нанодиагностики (см. таблицу).

179

СЕКТОР НАНОТЕХНОЛОГИИ

Установка для молекулярной химической сборки

1

Молекулярное послойное (без зародышеобразования) нанесение наноразмерных пленок оксидов алюминия и тяжелых металлов(гафний, цирконий) на полупроводниковые, металлические и диэлектрические подложки

Установка для получения углеродных нанотрубок из газовой фазы

2

Синтез массивов вертикально ориентированных углеродных нанотрубок на поверхности подложки методом химического газофазного осаждения в процессе каталитического пиролиза углеводородов

3 Установка для получения нанослоев методом Ленгмюра–Блоджетт

Молекулярно-послойное нанесение наноразмерных пленок органических веществ и их композиций методом прецизионного погружения подложек в жидкую фазу

180

Установка для получения наноструктурированных оксидов золь-гель-методом

4

Формирование тонких стеклообразных наноструктурированных центрифугированием пленкообразующих золей с последующей термообработкой

Установка для электрохимического формирования нанопористых материалов

5

Формирование нано-, микромезопористых слоев полупроводников и диэлектриков контролируемой толщины и степени пористости электрохимическим травлением полупроводниковых и металлических материалов

Установка для амплификации ДНК методом полимеразной цепной реакции

6

Продуцирование (увеличение концентрации) определенных фрагментов ДНК методом полимеразной цепной реакции, инициируемой термоциклированием

181

СЕКТОР НАНОДИАГНОСТИКИ

Малогабаритный растровый электронный микроскоп

1

Морфолого-топологический анализ поверхности твердого тела с микр - и наноразмерным пространственным разрешением

Атомно-зондовый микроскоп

2

Морфолого-топологический анализ микро- и наноразмерных объектов неорганической и органической природы с атомным пространственным разрешением

Установка оптической микроскопии с электрической нанозондовой системой

3

Оптическое наблюдение и электрическое тестирование объектов с помощью зондов с микро- и наноразмерным позиционированием

182

Малогабаритная установка электронного парамагнитного резонанса

4

Определение состава и свойств микро- и наноразмерных объектов, обладающих парамагнитными свойствами

Малогабаритный эллипсометр

5

Локальное определение толщины, показателя преломления и шероховатости слоев на поверхности гетерогенных объектов

Установка для капиллярного электрофореза

6

Исследование фракционного состава и электрофоретической подвижности наночастиц

183

Технические характеристики технологического и аналитического оборудования, входящего в состав учебно-научной лаборатории, соответствуют уровню серийно выпускаемого оборудования ведущих фирм, а разработанные методики достаточно универсальны и адаптивны при их реализации на оборудовании данного класса и назначения.

Ориентировочная стоимость поставки всего комплекса малобюджетной многофункциональной учебно-научной лаборатории нанотехнологии и диагностики(включая аппаратные средства, комплект расходных материалов, инструкции по эксплуатации, программно-ме- тодическое обеспечение, гарантийное обслуживание и обучение персонала) составляет на 01.09.2011 – 35 млн рублей.

Интеграция в структуре лаборатории современных базовых нанотехнологий и высоколокальных методов анализа и диагностики продуктов этих технологий обеспечивает замкнутый экспериментальнолабораторный цикл.

Сетевая система дистанционного доступа к многофункциональному аналитико-технологическому

электронно-ионному зондовому комплексу Helios Nanolab

Развитие современных сетевых информационно-коммуникацион- ных технологий стимулирует становление на рынке научных и образовательных услуг нового направления– дистанционного доступа к сложному дорогостоящему оборудованию и уникальным методикам. Обращает внимание и тот факт, что наличие у организации парка научного оборудования часто не гарантирует его эффективного использования по причине слабости методического и кадрового обеспечения.

Ниже представлен опыт совместной работы СПбГЭТУ «ЛЭТИ» и ЗАО «Системы для микроскопии и анализа» (официальный дистрибь-

ютер оборудования фирмы «FEI COMPANY TOOLS FOR NANOTECH»

в России) по созданию и введению в эксплуатацию системы удаленного доступа к многофункциональному аналитико-технологическому комплексу на основе наноразмерных электронного и ионного пучков

«Helios Nanolab».

184

Наиболее значительными стимулирующими факторами создания фактически сетевой системы коллективного пользования(дистанционного доступа) парком уникального оборудования являются:

–высокие эксплуатационные расходы на обслуживание оборудования, определяющие необходимость решения задач самоокупаемости;

–директивные указания по обеспечению и оценке эффективности использования оборудования, приобретенного за счет бюджета;

–переход отечественного рынка научно-образовательных товаров и услуг к продуктовой модели, определяющей достижение конечного результата при минимизации временных и экономических затрат;

–директивное предписание в рамках федеральных образовательных стандартов третьего поколения резкого увеличения лабораторнопрактических форм обучения, требующих создания и реализации новой инфраструктуры образовательного процесса.

В качестве факторов, ограничивающих в настоящее время дистанционный сетевой доступ к сложному уникальному оборудованию, следует выделить:

–доминирование в отечественном парке современного оборудования моделей иностранного производства с ограничением доступа к аппаратно-программным средствам и системам команд;

–недостаточный уровень сетевого информационного обеспечения в плане объемов передаваемой информации и качества передачи;

–низкий уровень информированности отечественных специалистов различного профиля об имеющихся в России аппаратурных и особенно методических возможностях уникального оборудования;

–недостаточный уровень образовательно-исследовательской культуры, необходимой для эффективного использования всех возможностей уникального оборудования и методик;

–низкий уровень организационно-правового и экономического обеспечения процессов эксплуатации уникального оборудования, в том числе – в режимах удаленного доступа.

Развитие сетевых технологий удаленного доступа к сложному дорогостоящему оборудованию и уникальным методикам позволяет:

–сократить затраты на формирование и эксплуатацию парка сложного уникального оборудования;

185

–повысить эффективность использования дорогостоящего оборудования через увеличение его загрузки(с учетом быстрого морального старения и значительных эксплуатационных затрат);

–расширить количество пользователей уникальным оборудованием и особенно методическими наработками;

–повысить уровень проводимых исследований и образовательно-

го процесса за счет эффективного использования профессионально подготовленных специалистов из числа персонала, обслуживающего оборудование, применения ими наработанного методического обеспечения, а также интеграции интеллектуальных потенциалов специалистов из различных областей знаний;

–реализовать принципы академической мобильности, сократить временные и транспортные затраты на исследования и образовательный процесс.

Следует особо отметить, что эффективность создаваемой в России национальной нанотехнологической сети(ННС) во многом будет определяться именно оптимизацией различных форм сетевого взаимодействия ее составных элементов, в том числе – коллективного использования уникального оборудование в режиме удаленного доступа.

Аналитико-технологический комплекс интегрированных элек-

тронного и ионного пучков «Helios Nanolab» «FEI COMPANY» (США),

установленный в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» (рис. 1, 2) в 2009 г., является наиболее ярким представителем уникального дорогостоящего оборудования, характеризующегося следующими особенностями [2]:

–наноразмерное разрешение для работы в режимах ионного и электронного пучков;

–интеграция электронного и ионного пучков в единой камере с возможностью одновременной работы по объекту;

–интеграция сверхвысокоразрешающих микроскопических и технологических режимов во времени и пространстве;

–интеграция в рабочей камере сверхлокальных селективных процессов препарирования, травления и нанесения материалов с нанометровым разрешением;

186

Рис. 1. Внешний вид аналитико-технологического комплекса Helios NanoLab 400 в НОЦ «Нанотехнологии» СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Столик с образцом

Рис. 2. Схема аналитико-технологического комплекса HELIOS NANOLAB 400

–наличие сверхпрецизионных наноразмерно позиционируемых механических приводов и зондов;

–наличие высокоразрешающей системы локального рентгеноспектрального анализа состава микрообъектов;

–наличие в рабочей камере системы подачи и съема электрических сигналов с объектов;

187

–наличие в рабочей камере системы видеонаблюдения за процессами манипулирования объектами и инструментом.

Следует также выделить ряд дополнительных особенностей, характеризующих данное уникальное оборудование:

–многообразие возможных объектов исследования и обработки с нанометровым разрешением;

–высокая степень автоматизации оборудования и аналитикотехнологических процедур, определяющая гибкость и оперативность достижения результата;

–чрезвычайно высокая стоимость оборудования и значительные эксплуатационные расходы;

–сложность оборудования, требующая специального обучения персонала, имеющего изначально высокий профессиональный уровень.

В рамках реализации ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на2008–2011 годы» в СПбГЭТУ «ЛЭТИ» во взаимодействии с ЗАО«Системы для микроскопии и анализа» был разработан аппаратно-программный комплекс (АПК), обеспечивающий сетевой удаленный доступ к многофункциональному аналитико-техноло- гическому комплексу Helios NanoLab 400. В состав АПК входят:

–блок WEB-интерфейса, авторизации и обеспечения безопасного подключения;

–блок администрирования;

–блок автоматизированного рабочего места (АРМ);

–клиентское программное обеспечение.

Сетевая система организации работы аналитико-технологического комплекса с АПК в режиме удаленного доступа представлена на рис. 3.

Аппаратно-программный комплекс обеспечивает:

–подключение пользователей через локальную сеть Интернет через WEB-интерфейс;

–авторизацию пользователя вводом его имени и пароля через WEB-интерфейс;

–представление пользователю списка доступных ресурсов через WEB-интерфейс;

188

–организацию виртуального, защищенного шифрованием канала доступа к комплексу Helios NanoLab 400 либо его эмулятору;

–подключение по виртуальному каналу к выбранному ресурсу в режиме графической консоли;

–разграничение прав доступа – либо для управления, либо только для наблюдения за происходящим на экране консоли;

–контроль подключения пользователей к ресурсам с возможностью отключения пользователя;

–удобный интерфейс администратора АПК.

Рис. 3. Структура сетевой системы для обеспечения работы комплекса Helios NanoLab в режиме удаленного доступа

Практическая реализация АПК позволила:

–организовать удаленный доступ к сложному уникальному оборудованию через стандартную информационную сеть;

–обеспечить одновременный, но авторизованный доступ к уникальному оборудованию нескольких пользователей;

–создать базис для организации процессов обучения и проведения научных исследований в режиме удаленного онлайн-доступа с использованием потенциала профессионально подготовленных специалистов и отработанных методик.

189

Наряду с этим при обеспечении режима удаленного доступа к автоматизированному оборудованию возникает возможность оперативно и дистанционно осуществлять его профилактику и настройку, сокращая временные и экономические затраты на обслуживание.

В случае эксплуатации оборудования повышенной опасности, в частности, при наличии источников вредных воздействий на оператора (излучения, химические среды), система удаленного доступа чрезвычайно эффективна, особенно в условиях образовательного процесса.

Управление компонентами многофункционального аналитико-тех- нологического комплекса Helios NanoLab 400 осуществляется оператором с помощью компьютера и управляющей панели, отображающейся на экране дисплея. Важной особенностью этой панели является сложный интерфейс, инструменты которого меняются в зависимости от используемых модулей комплекса и режима их работы. Учитывая чрезвычайно высокую стоимость комплекса и его«эксплуатационного» времени для подготовки операторов, работающих в режиме удаленного доступа, был разработан мультимедийный симулятор – тренажер оператора.

Этот тренажер представляет собой программную оболочку, воспроизводящую в автономном режиме панель управления многофункциональным аналитико-технологическим комплексом HELIOS NANOLAB 400 с визуализацией результатов обработки исследуемого образца. Тренажер реализован на базе программной средыLabView, имеющей развитые визуальные средства и позволяющей реализовывать необходимые математические модели для управления и обработки данных.

Тренажер использует архив фотоматериалов, отображающих динамику технологических и диагностических процессов Heliosв NanoLab (рис. 4). Это позволяет имитировать работу реальной установки. Сложный многооконный, многофункциональный интерфейс тренажера полностью соответствует интерфейсу панели управления аналитико-технологи- ческим комплексом Helios NanoLab. Навыки управления, приобретаемые оператором, переносятся на реальную установку без дополнительных затрат времени на освоение. Действия оператора (при необходимости) могут записываться и служить материалом для корректировки обучения.

190

Рис. 4. Вид панели управления и рабочих окон тренажера

Созданный тренажер эффективен и существенно экономит время и расходные материалы, кроме того, обучение на нем снижает вероятность неправильных действий в реальных условиях. Он является необходимым компонентом при внедрении методики удаленного доступа к сложному дорогостоящему оборудованию, а также может быть -ис пользован на подготовительном этапе дистанционного повышения квалификации, переподготовки кадров и организации исследований в режиме сетевого коллективного доступа.

Для методического обеспечения аналитико-технологического комплекса Helios NanoLab 400 были разработаны методические указания по проведению лабораторных исследований в режиме удаленного доступа с использованием четырех наиболее востребованных методик препарирования и анализа с нанометровым разрешением микрообъектов различной физической природы [2].

191

Базовый набор лабораторных исследований включает:

–реализацию процессов создания поперечных сечений образцов методом остросфокусированного наноразмерного ионного пучка;

–анализ поперечных сечений микрообъектов методом высокоразрешающей растровой электронной микроскопии;

–рентгеноспектральный микроанализ поперечных сечений гетерогенных микрообъектов, сформированных остросфокусированным ионным пучком;

–3D-реконструкцию микрообъектов на основе метода послойного наноразмерного ионного препарирования.

Перечисленный комплекс исследований фактически представляет собой стандартный набор процедур и операций, наиболее часто используемых при анализе гомогенных и гетерогенных микрообъектов неорганической природы с нанометровым пространственным разрешением, реализуемых с использованием аналитико-технологических комплексов на базе электронного и ионного пучков. Представленная совокупность базовых методик исследований может быть реализована как при непосредственной работе на комплексе, так и в режиме удаленного доступа.

Для обеспечения эффективного использования системы сетевого удаленного доступа к многофункциональному аналитико-технологиче- скому комплексу потенциальными пользователями услуг нами были разработаны:

–техническая документация на аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий удаленный доступ к многофункциональному аналитико-технологическому оборудованию на основе наноразмерных электронного и ионного пучков;

–инструкция по эксплуатации аппаратно-программного -ком плекса удаленного доступа;

–техническая документация на мультимедийный учебно-науч- ный комплекс – симулятор аналитико-технологического оборудования, включая методическое обеспечение для его эксплуатации;

–методические указания по проведению лабораторных исследований в режиме удаленного доступа на многофункциональном анали- тико-технологическом комплексе на основе наноразмерных электронного и ионного пучков;

192