納米測(cè)量技術(shù)

國內(nèi)的江西省科學(xué)院、清華大學(xué)、南昌大學(xué)等采用掃描探針顯微鏡系列，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，對(duì)高精度納米和亞納米量級(jí)的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進(jìn)行測(cè)量研究。天津大學(xué)劉安偉等在量子隧道效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了適用于平坦表面的掃描隧道顯微鏡微輪廓測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果較好地反映了掃描隧道顯微鏡對(duì)樣品表面輪廓的測(cè)量過程。清華大學(xué)李達(dá)成等研制成功在線測(cè)量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉儀，該儀器以穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器作為光源，共光路設(shè)計(jì)提高了抗外界環(huán)境干擾的能力，其縱向和橫向分辨率分別為0．39nm和0．73μm。李巖等提出了一種基于頻率分裂激光器光強(qiáng)差法的納米測(cè)量原理。中國計(jì)量學(xué)院朱若谷、浙江大學(xué)陳本永等提出了一種通過測(cè)量雙法布里一珀羅干涉儀透射光強(qiáng)基波幅值差或基波等幅值過零時(shí)間間隔的方法進(jìn)行納米測(cè)量的理論基礎(chǔ)，給出了檢測(cè)掃描探針振幅變化的新方法。中國科學(xué)院北京電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室成功研制了一臺(tái)使用光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測(cè)的原子力顯微鏡，通過對(duì)云母、光柵、光盤等樣品的觀測(cè)證明該儀器達(dá)到原子分辨率，最大掃描范圍可達(dá)7μm×7μm。浙江大學(xué)卓永模等研制成功雙焦干涉球面微觀輪廓儀，解決了對(duì)球形表面微觀輪廓進(jìn)行亞納米級(jí)的非接觸精密測(cè)量問題，該系統(tǒng)具有0．1nm的縱向分辨率及小于2μm的橫向分辨率。中國計(jì)量科學(xué)研究院研制了用于研究多種微位移測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)的高精度微位移差拍激光干涉儀。中國計(jì)量科學(xué)研究院、清華大學(xué)等研制了用于大范圍納米測(cè)量的差拍法―珀干涉儀，其分辨率為0．3nm，測(cè)量范圍±1．1μm，總不確定度優(yōu)于3．5nm。中國計(jì)量學(xué)院朱若谷提出了一種能補(bǔ)償環(huán)境影響、插入光纖傳光介質(zhì)的補(bǔ)償式光纖雙法布里―珀羅微位移測(cè)量系統(tǒng)，適合于納米級(jí)微位移測(cè)量，可用于檢定其它高精度位移傳感器、幾何量計(jì)量等。

3　納米測(cè)量展望

縱觀納米測(cè)量技術(shù)發(fā)展的歷程，它的研究主要向兩個(gè)方向發(fā)展：

一是在傳統(tǒng)的測(cè)量方法基礎(chǔ)上，應(yīng)用先進(jìn)的測(cè)試儀器解決應(yīng)用物理和微細(xì)加工中的納米測(cè)量問題,分析各種測(cè)試技術(shù),提出改進(jìn)的措施或新的測(cè)試方法；

二是發(fā)展建立在新概念基礎(chǔ)上的測(cè)量技術(shù)，利用微觀物理、量子物理中最新的研究成果,將其應(yīng)用于測(cè)量系統(tǒng)中,它將成為未來納米測(cè)量的發(fā)展趨向。

但納米測(cè)量中也存在一些問題限制了它的發(fā)展。建立相應(yīng)的納米測(cè)量環(huán)境一直是實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量亟待解決的問題之一，而且在不同的測(cè)量方法中需要的納米測(cè)量環(huán)境也是不同的。同時(shí)，對(duì)納米材料和納米器件的研究和發(fā)展來說，表征和檢測(cè)起著至關(guān)重要的作用。由于人們對(duì)納米材料和器件的許多基本特征、結(jié)構(gòu)和相互作用了解得還不很充分，使其在設(shè)計(jì)和制造中存在許多的盲目性，現(xiàn)有的測(cè)量表征技術(shù)就存在著許多問題。此外，由于納米材料和器件的特征長(zhǎng)度很小，測(cè)量時(shí)產(chǎn)生很大擾動(dòng)，以至產(chǎn)生的信息并不能完全代表其本身特性。這些都是限制納米測(cè)量技術(shù)通用化和應(yīng)用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測(cè)量無論是在理論上，還是在技術(shù)和設(shè)備上都需要深入研究和發(fā)展。2100433B

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(jiǎng)的掃描隧道顯微鏡（STM）。1986年，Binnig等人利用掃描隧道顯微鏡測(cè)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(cè)量，達(dá)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(shí)現(xiàn)的原子力顯微鏡首次獲得了原子級(jí)分辨率的表面圖像。日本：S．Yoshida主持的Yoshida納米機(jī)械項(xiàng)目主要進(jìn)行以下二個(gè)方面的研究：

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

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

日本國家計(jì)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(cè)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(dòng)系統(tǒng)主要采用基于柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)的微動(dòng)工作臺(tái)。

英國：國家物理研究所對(duì)各種納米測(cè)量?jī)x器與被測(cè)對(duì)象之間的幾何與物理間的相互作用進(jìn)行了詳盡的研究，繪制了各種納米測(cè)量?jī)x器測(cè)量范圍的理論框架，其研制的微形貌納米測(cè)量?jī)x器測(cè)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(duì)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)用的波長(zhǎng)進(jìn)行細(xì)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(jì)了一套納米定位裝置，它通過壓電驅(qū)動(dòng)元件和電容位置傳感器相結(jié)合的控制裝置達(dá)到納米級(jí)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(jìn)行了一系列稱為1nm級(jí)尺寸精度的計(jì)劃項(xiàng)目，這些研究包括：①．提高直線和角度位移的計(jì)量；②．研究高分辨率檢測(cè)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(cè)量。已完成亞納米級(jí)的一維位移和微形貌的測(cè)量。

在電子測(cè)量中，為了繞過在某些量程、頻段和測(cè)量域上對(duì)某些參量的測(cè)量困難和減小測(cè)量的不確定度，廣泛采用下列各種變換測(cè)量技術(shù)。

①　參量變換測(cè)量技術(shù)：把被測(cè)參量變換為與它具有確定關(guān)系但測(cè)量起來更為有利的另一參量進(jìn)行測(cè)量，以求得原來參量的量值。例如，功率測(cè)量中的量熱計(jì)是把被測(cè)功率變換為熱電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，而測(cè)熱電阻功率計(jì)是把被測(cè)功率變換為電阻值進(jìn)行測(cè)量；相移測(cè)量中可把被測(cè)相位差變換為時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量；截止衰減器是把衰減量變換為長(zhǎng)度量進(jìn)行測(cè)量；有些數(shù)字電壓表是把被測(cè)電壓變換為頻率量進(jìn)行測(cè)量。

②　頻率變換測(cè)量技術(shù)：利用外差變頻把某一頻率（一般是較高頻率或較寬頻段內(nèi)頻率）的被測(cè)參量變換為另一頻率（一般是較低頻率或單一頻率）的同樣參量進(jìn)行測(cè)量。這樣做的一個(gè)重要原因是計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量器具在較低頻率（尤其是直流）或單一頻率上的準(zhǔn)確度通常會(huì)更高一些。例如，在衰減測(cè)量中的低頻替代法和中頻替代法就是在頻率變換基礎(chǔ)上的比較測(cè)量技術(shù)；采樣顯示、采樣鎖相在原理上也是利用了采樣變頻的頻率變換測(cè)量技術(shù)。

③　量值變換測(cè)量技術(shù)：把量值處于難以測(cè)量的邊緣狀態(tài)（太大或太?。┑谋粶y(cè)參量，按某一已知比值變換為量值適中的同樣參量進(jìn)行測(cè)量。例如，用測(cè)量放大器、衰減器、分流器、比例變壓器或定向耦合器，把被測(cè)電壓、電流或功率的量值升高或降低后進(jìn)行測(cè)量；用功率倍增法測(cè)噪聲和用倍頻法測(cè)頻率值等。

④　測(cè)量域變換測(cè)量技術(shù): 把在某一測(cè)量域中的測(cè)量變換到另一更為有利的測(cè)量域中進(jìn)行測(cè)量。例如，在頻率穩(wěn)定度測(cè)量中，為了更好地分析導(dǎo)致頻率不穩(wěn)的噪聲模型，可以從時(shí)域測(cè)量變換到頻域測(cè)量；在電壓測(cè)量中，為了大幅度地提高分辨力，可以從模擬域測(cè)量變換到數(shù)字域測(cè)量。

通常指一公式可以快速的解答一種高深的題目，或者用某一儀器精確的完成某一測(cè)量，在國際或國內(nèi)有著領(lǐng)先的地位等。

在這技術(shù)中大致有

溫度測(cè)量技術(shù)，電子測(cè)量技術(shù)，工程測(cè)量技術(shù)，公差配合與技術(shù)測(cè)量等2100433B

納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年，國際納米科技指導(dǎo)委員會(huì)將納米技術(shù)劃分為納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)和納米計(jì)量學(xué)等6個(gè)分支學(xué)科。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。

納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來的新興科技，其最終目標(biāo)是人類按照自己的意識(shí)直接操縱單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米科技以空前的分辨率為我們揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界。這表明，人類正越來越向微觀世界深入，人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高了前所未有的高度。有資料顯示，2010年，納米技術(shù)將成為僅次于芯片制造的第二大產(chǎn)業(yè)。