納米測量技術(shù)國內(nèi)情況

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，對高精度納米和亞納米量級的光學(xué)超光滑表面的粗糙度和微輪廓進(jìn)行測量研究。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樣品表面輪廓的測量過程。清華大學(xué)李達(dá)成等研制成功在線測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)差法的納米測量原理。中國計量學(xué)院朱若谷、浙江大學(xué)陳本永等提出了一種通過測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間間隔的方法進(jìn)行納米測量的理論基礎(chǔ)，給出了檢測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)室成功研制了一臺使用光學(xué)偏轉(zhuǎn)法檢測的原子力顯微鏡，通過對云母、光柵、光盤等樣品的觀測證明該儀器達(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，解決了對球形表面微觀輪廓進(jìn)行亞納米級的非接觸精密測量問題，該系統(tǒng)具有0．1nm的縱向分辨率及小于2μm的橫向分辨率。中國計量科學(xué)研究院研制了用于研究多種微位移測量方法標(biāo)準(zhǔn)的高精度微位移差拍激光干涉儀。中國計量科學(xué)研究院、清華大學(xué)等研制了用于大范圍納米測量的差拍法―珀干涉儀，其分辨率為0．3nm，測量范圍±1．1μm，總不確定度優(yōu)于3．5nm。中國計量學(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―珀羅微位移測量系統(tǒng)，適合于納米級微位移測量，可用于檢定其它高精度位移傳感器、幾何量計量等。

3　納米測量展望

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

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

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

但納米測量中也存在一些問題限制了它的發(fā)展。建立相應(yīng)的納米測量環(huán)境一直是實(shí)現(xiàn)納米測量亟待解決的問題之一，而且在不同的測量方法中需要的納米測量環(huán)境也是不同的。同時，對納米材料和納米器件的研究和發(fā)展來說，表征和檢測起著至關(guān)重要的作用。由于人們對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)計和制造中存在許多的盲目性，現(xiàn)有的測量表征技術(shù)就存在著許多問題。此外，由于納米材料和器件的特征長度很小，測量時產(chǎn)生很大擾動，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量技術(shù)通用化和應(yīng)用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測量無論是在理論上，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(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(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)用的波長進(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(dá)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(jìn)行了一系列稱為1nm級尺寸精度的計劃項(xiàng)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。

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

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

②　頻率變換測量技術(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)行測量。這樣做的一個重要原因是計量標(biāo)準(zhǔn)和測量器具在較低頻率（尤其是直流）或單一頻率上的準(zhǔn)確度通常會更高一些。例如，在衰減測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量技術(shù)。

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

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

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

溫度測量技術(shù)，電子測量技術(shù)，工程測量技術(shù)，公差配合與技術(shù)測量等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)和納米計量學(xué)等6個分支學(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直接操縱單個原子、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、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)。