纳米测量技术剖析.pptVIP

纳米测量技术 纳米技术 纳米技术是21世纪最重要的科学技术之一；它将引起一场新的工业革命。 纳米技术是包括纳米电子、纳米材料、纳米生物、纳米机械、纳米制造、纳米测量、纳米物理、纳米化学等诸多科学技术在内的一组技术的集合, 其目的是研究、发展和加工结构尺寸小于100nm 的材料、装置和系统, 以获得具有所需功能和性能的产品。科技发达国家为抢占这一高新技术生长点、制高点, 竞相将纳米技术列为21世纪战略性基础研究的优先项目。 纳米测量技术 纳米测量技术是纳米技术的重要组成部分，它对于纳米材料的发展，纳米器件和系统的研究与开发具有十分重要的意义。 纳米测量技术的内涵涉及纳米尺度的评价、成份、微细结构和物性的纳米尺度的测量，它是在纳米尺度上研究材料和器件的结构与性能、发现新现象、发展新方法、创造新技术的基础。 纳米技术主要研究微观尺度的物体和现象，同时微纳米检测技术也主要指微米和纳米尺度和精度的检测技术。与广义的测量技术相比，纳米测量技术具有被测量的尺度小以及以非接触测量手段为主等主要特点。 纳米测量技术的时代背景 随着科技不断进步，测量技术与工业生产技术相互促进、相互提高。可以说纳米测量正是顺应微电子工业集成电路制作、机械工业和国防工业超精密加工的需要而发展起来的。 鉴于纳米测量技术的重要地位, 国外, 特别是美、日、欧等国家均投入了相当大的人力和物力予以重点支持。1999年12月，美国国家科学技术委员会指出：“微纳米科学和工程将在未来的10～20年内成为一种战略性、占主导地位的技术，德国将微纳米技术和微系统技术列入国家高科技重点发展领域 纳米测量技术的时代背景 典型的例子有1982年发明的扫描隧道显微镜；美国加利福尼亚大学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。日本研制的具有亚纳米级测量分辨率的激光外差干涉仪。英国国家物理实验室(NPL)研制的微形貌纳米测量仪器的测量范围是0.01-3nm。 总括国内外的纳米测量方法, 可以分为两大类: 一类是非光学方法: 扫描探针显微术、电子显微术、电容电感测微法, 另一类是光学方法: 激光干涉仪、X 光干涉仪、光学光栅和光频率跟踪等。 它们的单项参数( 分辨率、精度、测量范围) 可达到的指标分别如下表所示。 * 纳米测量技术的任务 纳米测量技术的研究大致分为两个方面： 1.应用与研制先进的测试仪器，解决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方法； 2.从计量学的角度出发分析各种测试方法的特点，如：使用范围、精度等级、频率响应等。 我国对纳米测量技术的研究也相当重视,并取得了一些显著成绩。清华大学研制成功亚纳米级分辨率的激光双波长干涉仪；中国科学院北京电子显微镜实验室成功研制了原子级分辨率的原子力显微镜；中国计量科学研究院研制了用于微位移测量标准的法-珀干涉仪；天津大学研制了双法-珀干涉型光纤微位移传感器；中国科学院化学所对扫描探针显微术进行了一系列的科学研究。 任何一套纳米测量系统一般都由纳米传感系统、三维（或二维）扫描工作台及其测量控制系统（即扫描测试系统）和信息处理及图像分析技术等三部分组成。 非光学测量方法代表有扫描隧道显微镜（STM）,原子力显微镜（AFM）,电子显微镜（TEM和SEM），俄歇电子能谱等。 纳米测量技术-非光学测量方法 在经典力学中，当势垒的高度比粒子的能量大时，粒子是无法越过势垒的，而根据量子力学原理，粒子可能会穿过势垒而出现在另一侧，这种现象称之为隧道效应。STM就是基于量子隧道效应制成的。以金属针尖为一电极，被测固体样品为另一电极，当它们之间的距离小到1nm左右时，会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流。隧道电流对于间距的变化非常敏感，可以通过测量电流的变化来反映表面上原子尺度的起伏，这就是STM的基本工作原理。 扫描隧道显微镜（STM）-工作原理 压电陶瓷 计算机控制 样品 监视器 PI反馈 针尖 STM结构示意图 扫描隧道显微镜（STM） 扫描隧道显微镜（STM）-结构 由于扫描探针显微技术最终还要由一些光学的方法来进行标定和校准，所以光学的纳米测量尤其倍受国内外关注。 在光学纳米测量方法中，主要为激光干涉的方法，它采用光程倍频和锁相放大等技术，在很大程度上提高了干涉仪的分辨力和准确度