纳米测量技术

测量技术

纳米测量技术是利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，这个技术已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量。

国外情况

国外于1982年发明并使其发明者Binnig和Rohrer（美国）荣获1986年物理学诺贝尔奖的扫描隧道显微镜（STM）。1986年，Binnig等人利用扫描隧道显微镜测量近10－18N的表面力，将扫描隧道显微镜与探针式轮廓仪相结合，发明了原子力显微镜，在空气中测量，达到横向精度3n m和垂直方向0．1n m的分辨率。California大学S．Alexander等人利用光杠杆实现的原子力显微镜首次获得了原子级分辨率的表面图像。日本：S．Yoshida主持的Yoshida纳米机械项目主要进行以下二个方面的研究：

⑴．利用改制的扫描隧道显微镜进行微形貌测量，已成功的应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量；

⑵．利用激光干涉仪测距，在激光干涉仪中其开发的双波长法限制了空气湍流造成的误差影响；其实验装置具有1n m的测量控制精度。

日本国家计量研究所（NRLM）研制了一套由稳频塞曼激光光源、四光束偏振迈克尔干涉仪和数据分析电子系统组成的新型干涉仪，该所精密测量已涉及一些基本常数的决定这一类的研究，如硅晶格间距、磁通量等，其扫描微动系统主要采用基于柔性铰链机构的微动工作台。

英国：国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的几何与物理间的相互作用进行了详尽的研究，绘制了各种纳米测量仪器测量范围的理论框架，其研制的微形貌纳米测量仪器测量范围是0．01n m～3n m和0．3n m～100n m。Warwick大学的Chetwynd博士利用X光干涉仪对长度标准用的波长进行细分研究，他利用薄硅片分解和重组X光光束来分析干涉图形，从干涉仪中提取的干涉条纹与硅晶格有相等的间距，该间距接近0．2nm，他依此作为校正精密位移传感器的一种亚纳米尺度。Queensgate仪器公司设计了一套纳米定位装置，它通过压电驱动元件和电容位置传感器相结合的控制装置达到纳米级的分辨率和定位精度。

德国：T．Gddenhenrich等研制了电容式位移控制微悬臂原子力显微镜。在PTB进行了一系列称为1nm级尺寸精度的计划项目，这些研究包括：①．提高直线和角度位移的计量；②．研究高分辨率检测与表面和微结构之间的物理相互作用，从而给出微形貌、形状和尺寸的测量。已完成亚纳米级的一维位移和微形貌的测量。

国内情况

国内的江西省科学院、清华大学、南昌大学等采用扫描探针显微镜系列，如扫描隧道显微镜、原子力显微镜等，对高精度纳米和亚纳米量级的光学超光滑表面的粗糙度和微轮廓进行测量研究。天津大学刘安伟等在量子隧道效应的基础上，建立了适用于平坦表面的扫描隧道显微镜微轮廓测量的数学模型，仿真结果较好地反映了扫描隧道显微镜对样品表面轮廓的测量过程。清华大学李达成等研制成功在线测量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉仪，该仪器以稳频半导体激光器作为光源，共光路设计提高了抗外界环境干扰的能力，其纵向和横向分辨率分别为0．39nm和0．73μm。李岩等提出了一种基于频率分裂激光器光强差法的纳米测量原理。中国计量学院朱若谷、浙江大学陈本永等提出了一种通过测量双法布里一珀罗干涉仪透射光强基波幅值差或基波等幅值过零时间间隔的方法进行纳米测量的理论基础，给出了检测扫描探针振幅变化的新方法。中国科学院北京电子显微镜实验室成功研制了一台使用光学偏转法检测的原子力显微镜，通过对云母、光栅、光盘等样品的观测证明该仪器达到原子分辨率，最大扫描范围可达7μm×7μm。浙江大学卓永模等研制成功双焦干涉球面微观轮廓仪，解决了对球形表面微观轮廓进行亚纳米级的非接触精密测量问题，该系统具有0．1nm的纵向分辨率及小于2μm的横向分辨率。中国计量科学研究院研制了用于研究多种微位移测量方法标准的高精度微位移差拍激光干涉仪。中国计量科学研究院、清华大学等研制了用于大范围纳米测量的差拍法―珀干涉仪，其分辨率为0．3nm，测量范围±1．1μm，总不确定度优于3．5nm。中国计量学院朱若谷提出了一种能补偿环境影响、插入光纤传光介质的补偿式光纤双法布里―珀罗微位移测量系统，适合于纳米级微位移测量，可用于检定其它高精度位移传感器、几何量计量等。

3　纳米测量展望

纵观纳米测量技术发展的历程，它的研究主要向两个方向发展：

一是在传统的测量方法基础上，应用先进的测试仪器解决应用物理和微细加工中的纳米测量问题,分析各种测试技术,提出改进的措施或新的测试方法；

二是发展建立在新概念基础上的测量技术，利用微观物理、量子物理中最新的研究成果,将其应用于测量系统中,它将成为未来纳米测量的发展趋向。

但纳米测量中也存在一些问题限制了它的发展。建立相应的纳米测量环境一直是实现纳米测量亟待解决的问题之一，而且在不同的测量方法中需要的纳米测量环境也是不同的。同时，对纳米材料和纳米器件的研究和发展来说，表征和检测起着至关重要的作用。由于人们对纳米材料和器件的许多基本特征、结构和相互作用了解得还不很充分，使其在设计和制造中存在许多的盲目性，现有的测量表征技术就存在着许多问题。此外，由于纳米材料和器件的特征长度很小，测量时产生很大扰动，以至产生的信息并不能完全代表其本身特性。这些都是限制纳米测量技术通用化和应用化的瓶颈，因此，纳米尺度下的测量无论是在理论上，还是在技术和设备上都需要深入研究和发展。

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