光杠桿實驗

熱膨脹光學(xué)法

光杠桿式膨脹儀

光干涉法膨脹儀

熱膨脹電測法

電感式膨脹儀

電容式膨脹儀

熱膨脹機械法

千分表式膨脹儀

杠桿式膨脹儀

國外于1982年發(fā)明并使其發(fā)明者Binnig和Rohrer（美國）榮獲1986年物理學(xué)諾貝爾獎的掃描隧道顯微鏡（STM）。1986年，Binnig等人利用掃描隧道顯微鏡測量近10－18N的表面力，將掃描隧道顯微鏡與探針式輪廓儀相結(jié)合，發(fā)明了原子力顯微鏡，在空氣中測量，達到橫向精度3n m和垂直方向0．1n m的分辨率。California大學(xué)S．Alexander等人利用光杠桿實現(xiàn)的原子力顯微鏡首次獲得了原子級分辨率的表面圖像。日本：S．Yoshida主持的Yoshida納米機械項目主要進行以下二個方面的研究：

⑴．利用改制的掃描隧道顯微鏡進行微形貌測量，已成功的應(yīng)用于石墨表面和生物樣本的納米級測量；

⑵．利用激光干涉儀測距，在激光干涉儀中其開發(fā)的雙波長法限制了空氣湍流造成的誤差影響；其實驗裝置具有1n m的測量控制精度。

日本國家計量研究所（NRLM）研制了一套由穩(wěn)頻塞曼激光光源、四光束偏振邁克爾干涉儀和數(shù)據(jù)分析電子系統(tǒng)組成的新型干涉儀，該所精密測量已涉及一些基本常數(shù)的決定這一類的研究，如硅晶格間距、磁通量等，其掃描微動系統(tǒng)主要采用基于柔性鉸鏈機構(gòu)的微動工作臺。

英國：國家物理研究所對各種納米測量儀器與被測對象之間的幾何與物理間的相互作用進行了詳盡的研究，繪制了各種納米測量儀器測量范圍的理論框架，其研制的微形貌納米測量儀器測量范圍是0．01n m～3n m和0．3n m～100n m。Warwick大學(xué)的Chetwynd博士利用X光干涉儀對長度標準用的波長進行細分研究，他利用薄硅片分解和重組X光光束來分析干涉圖形，從干涉儀中提取的干涉條紋與硅晶格有相等的間距，該間距接近0．2nm，他依此作為校正精密位移傳感器的一種亞納米尺度。Queensgate儀器公司設(shè)計了一套納米定位裝置，它通過壓電驅(qū)動元件和電容位置傳感器相結(jié)合的控制裝置達到納米級的分辨率和定位精度。

德國：T．Gddenhenrich等研制了電容式位移控制微懸臂原子力顯微鏡。在PTB進行了一系列稱為1nm級尺寸精度的計劃項目，這些研究包括：①．提高直線和角度位移的計量；②．研究高分辨率檢測與表面和微結(jié)構(gòu)之間的物理相互作用，從而給出微形貌、形狀和尺寸的測量。已完成亞納米級的一維位移和微形貌的測量。

微懸臂梁具有結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏度、成本低等特點，是納米測試技術(shù)中的常用工具，尤其作為原子力顯微鏡探針時，在表面形貌測試、納米操縱方面應(yīng)用廣泛，而作為力的感應(yīng)元件微懸臂梁彈性常數(shù)對于掃描速度、力的測量等影響很大。本項目研究了一種新的精密天平與激光干涉相結(jié)合的微懸臂梁彈性常數(shù)可溯源性標定方法，通過天平求出加載力值，通過光杠桿法求出微懸臂梁的偏轉(zhuǎn)量，最后由胡克定律求出彈性常數(shù)。該方法提高了微懸臂梁法向和橫向彈性常數(shù)的測量精度，進而提高了原子力顯微鏡納米力學(xué)特性表征的精度，為納米材料的研究提供更為可靠的實驗數(shù)據(jù)；也改善了基于探針的納米量級操縱和加工的效果，為納米技術(shù)的真正應(yīng)用提供技術(shù)依托。 本項目完善了基于電磁天平標定微懸臂梁法向彈性常數(shù)的技術(shù)理論，提出了法向測量時橫向扭轉(zhuǎn)對標定結(jié)果影響的修正方法；將斜面法和天平相結(jié)合，建立原位標定橫向彈性常數(shù)的數(shù)學(xué)模型。設(shè)計并搭建了超精密天平與光杠桿法結(jié)合的微懸臂梁彈性常數(shù)標定系統(tǒng)，微懸臂梁的法向、橫向偏轉(zhuǎn)量由光杠桿獲得，彎曲力由天平測得；通過對系統(tǒng)的機械部件、光學(xué)系統(tǒng)及測控電路的優(yōu)化提高了標定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性，將系統(tǒng)的機械噪聲降至最低，實現(xiàn)了微懸臂梁的法向和橫向運動、彎曲量的獲取等功能；對七種型號的微懸臂梁探針進行了標定，測量結(jié)果的重復(fù)性較好，并對標定結(jié)果進行了分析，其相對標準不確定度的A類評定優(yōu)于1%。 由于本方法力的測量結(jié)果具有可溯源性，具有其他方法不可比擬的優(yōu)勢。本項目中設(shè)計的實驗平臺還可為開發(fā)新型的納米力學(xué)特性測量儀器提供技術(shù)儲備，并帶動相關(guān)領(lǐng)域的研究與開發(fā)。 在本項目的資助下，共發(fā)表研究論文13篇，其中SCI檢索2篇，EI檢索9篇；獲得2項國家發(fā)明專利授權(quán)；培養(yǎng)2名博士、1名碩士畢業(yè)并獲得學(xué)位。