(全文)纳米测量仪器和纳米加工技术
第九章 纳米测量与表征
(2)原子力显微镜
• 原子力显微镜则是通过原子 之间非常微弱的相互作用力 来检测样品表面的。 • 和手摸盲文的感觉差不多。 • 这个检测方法的最大特点是 不要求样品具有导电性。 • 它在纳米级上对于测量原子 和分子间的相互作用有很大 的帮助。
原子力显微镜原理
假设两个原子中，一个是在悬臂（cantilever）的探针尖端，另一个是在样 本的表面，它们之间的作用力会随距离的改变而变化。当原子与原子很接近时， 彼此电子云斥力的作用大于原子核与电子云之间的吸引力作用，所以整个合力表 现为斥力的作用，反之若两原子分开有一定距离时，其电子云斥力的作用小于彼 此原子核与电子云之间的吸引力作用，故整个合力表现为引力的作用。
•
透射电镜能精确 读出0.1nm的原 子，因而能判别 出纳米材料
用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布． 是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可 靠性和直观性． 实验过程： 首先将纳米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用 Cu网上，待悬浮液中的载液(例如乙醇)挥发后。 放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像， 然后由这些照片来测量粒径。
•
• 如果仅仅在纸上画图，你自然能够“制造”出任 意放大倍数的显微镜。但是光的波动性将毁掉你 完美的发明。即使消除掉透镜形状的缺陷，任何 光学仪器仍然无法完美的成像。 • 光在通过显微镜的时候要发生衍射——简单的说， 物体上的一个点在成像的时候不会是一个点，而 是一个衍射光斑。如果两个衍射光斑靠得太近， 你就没法把它们分辨开来。显微镜的放大倍数再 高也无济于事了。对于使用可见光作为光源的显 微镜，它的分辨率极限是0.2微米。任何小于0.2微 米的结构都没法识别出来。
STM基本原理
扫描隧道显微镜利用量子 理论中的隧道效应,控制隧道 电流或针尖样品距离的恒定 而使探针随表面起伏运动， 从而描绘出表面态密度的分 布或原子排列的图像，STM 只能直接观察导体和半导体 的表面结构。
纳米加工技术
2.可以观察单个原子层的局部表面结构
3.可以实时、实空间地观察表面的三维图像 4.能在不同条件下工作，探测过程对工件无损伤。 5.不仅可用于成像，还可以对表面的原子进行操纵， 从而进行纳米级加工。
扫描隧道显微镜工作原理示意图
发展纳米加工技术的途径
发展前景的展望
航空航天
纳 米 卫 星
1.增加有效载荷，成指数倍地降低耗能。 2.低能耗、抗辐照的高性能计算机及其它 测控电子设备 3.抗热障、耐磨损的纳米涂层材料 4.微型航天器、“纳米卫星”等
基于扫描显微原理的纳米加工
扫 描 隧 道 显 微 镜
扫描隧道显微镜（STM）工作原理： 把极小的针尖和被研究的物质表面作为两个电 极，当样品表面与针尖的距离非常小(<1nm)时，在 外电场作用下电子即会穿过两极间的绝缘层流向另 一极，产生隧道电流，并通过反馈电路传递到计算 机上表现出来。
扫描显微技术的特点： 1.具有原子级的高分辨率
• • •
R.Feynman
• •
纳米技术的意义
纳米技术将引发一场新的工 业革命
•
2010年现在的微电子器件芯
片的线宽将达到0.1～0.07nm， 小于此尺寸，器件应按新原
理设计。其性能将大大提高，
这将是对信息产业和其它相 关产业的一场深刻的革命。
纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，它将使 微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。
纳米加工技术概述
• 概念的提出与发展 1959.12.29 诺贝尔物理奖得主 R.Feynman在其 演讲“There’s plenty of room at the bottom ” 中提出人类如能在原子/分子的尺度上加工材料， 将有新的发现。那时，化学I最早使用nanotechnology一词 描述精细机械加工。 70年代后期 MIT 的德雷克斯勒教授提倡纳米技 术研究但多数主流科学家持怀疑态度。 80年代初 STM 和AFM等微观表征和操纵技术的发 明和使用推动了纳米技术的快速发展。 1990.7 第一届国际纳米科学技术会议与第五届国 际STM显微学会议同时在美国Baltimore举行。 Nanotechnology和Nanobiology 国际专业刊物相继 问世。
纳米加工技术
发展纳米加工技术的途径
发展前景的展望
航空航天
纳
米 卫 星
1.增加有效载荷，成指数倍地降低耗能。 2.低能耗、抗辐照的高性能计算机及其它
测控电子设备
3.抗热障、耐磨损的纳米涂层材料
4.微型航天器、“纳米卫星”等
高效助燃剂：
纳米粉末具有极强的储能特性，将其作为添加
航 剂加入燃料中可大大提高燃烧率。将一些纳米粉末
纳米加工技术
纳米技术定义
目前人类研究的物质世界的 最大尺度：1025 米（～10亿光年） 最小尺度：10－19 米
纳米(nm)：10－9 米 纳米技术：研究结构尺寸在0.1～100 nm
范围的物质的特性和相互作用，以及利 用这些特性的多学科交叉的科学与技术。 当物质小到10－9～10－7 米时，由于量子 效应和巨大的表面和界面效应，性能发 生质变，呈现出许多既不同于宏观物体、 也不同于单个孤立原子的新颖的物理、 化学和生物学等特性。
利用LIGA技术制作的铜电极阵列和加工出的70µm厚WC-Co齿轮
纳米加工的方法及设备
基于扫描显微原理的纳米加工
扫 扫描隧道显微镜（STM）工作原理：
描 隧
把极小的针尖和被研究的物质表面作为两个电极，
道 当样品表面与针尖的距离非常小(<1nm)时，在外电
显 场作用下电子即会穿过两极间的绝缘层流向另一极，
纳米技术的意义
纳米技术将引发一场新的工业 革命
• 2010年现在的微电子器件芯 片的线宽将达到0.1～ 0.07nm，小于此尺寸，器件 应按新原理设计。其性能将大 大提高，这将是对信息产业和 其它相关产业的一场深刻的革 命。
纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，它将使 微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。
纳米加工技术简介
纳米技术的意义
纳米技术将引发一场新的工业 革命
• 2010年现在的微电子器件芯 片的线宽将达到0.1～ 0.07nm，小于此尺寸，器件 应按新原理设计。其性能将大 大提高，这将是对信息产业和 其它相关产业的一场深刻的革 命。
纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，它将使 微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。
2.高能束直径可到达纳米级 3.高能束偏转扫描柔韧性好、无惯性，能
全方位加工 4.非接触加工，无需刀具，无加工变形 5.几乎可对任何材料加工
加工方法： 1.光学光刻 2.X光光刻 3.电子束光刻 4.离子束加工 5.原子层刻蚀 6.原位制作技术
利用微细放电加工方法制作的汽车模型
纳米加工的方法及设备
1、光刻
2、去光阻
3、电铸 5、射出成型
4、模仁 6、成品脱模
LIGA工艺过程
优点：
LIGA加工工艺
1、可制造较大高宽比的结构；
2、取材广泛，可以是金属、陶瓷、聚合物、玻璃 等；
3、可制作任意截面形状图形结构，加工精度高；
4、可重复复制，符合工业上大批量生产要求，制 造成本相对较低等。
用途：
广泛应用于微传感器、微电机、微执行器、微 机械零件、集成光学和微光学元件、真空电 子元件、微型医疗器械、流体技术微元件、 纳米技术元件等的制作。
利用LIGA技术制作的铜电极阵列和加工出的70µm厚WC-Co齿轮
纳米加工的方法及设备
基于扫描显微原理的纳米加工
扫 扫描隧道显微镜（STM）工作原理：
描 隧
把极小的针尖和被研究的物质表面作为两个电极，
道 当样品表面与针尖的距离非常小(<1nm)时，在外电
显 场作用下电子即会穿过两极间的绝缘层流向另一极，
纳米级加工技术概述
目前 ， 光机 电元器 件 日趋 微型 化和一 体化 ， 就需 要 这
寻求一 种新 的工艺 方法 ＬＧ ＩＡ技术 ，是 深层 同步辐 射 ｘ射线光 刻 、电铸成 形、 注塑成形等技术的结合 它可以进行三维任意横向 几何 形状微 结 构的制作 ． 得结 构高度 可达数 百微米 ， 使 最
一
单 晶硅 类 的 半 导体 材 料 ． 因此适 用 于制 作 微 机 械 的构
件。
微放 电加工技 术 的发展 ． 可使 直径 １ ｍ 以下 的孔 、 轴加 工成 为现实 。今后微 放 电加工 技术将 与其 它加工 方 法组 合成 多种三维 加工方 法 ，并作 为高效实 用 加工方法 的研究 课题 。
批量 复制 ， 生产成 本低 。 ４ Ｓ Ｍ（ ． Ｔ 扫描隧 道显微 镜 ： ｅｍ ｎ ｕｎ ｌ ｇＭｉ ｏ Ｓａ ｆ ｇＴ ｎ ｅ ｉ ｃ － ｉ ｌ ｎ ｒ
ｓ ｐ 】 术 ｃ ｅ技 ｏ
能量束加工可以对被加工对象进行去除 、添加和表 面处 理等工艺 ， 包 括离子 束加工 、 主要 电子束加工 和 光束
苑国良
纳米是 长 度的计 量单位 ， ｌ 盯的百万 分之一 纳 为 ｒ． ｎ 米技 术是 一 门在 ０ ｈｎ一１０ 空 间 尺度 内操 纵 原子 和 ．ｕ ０￣ ｍｌ 分子 ， 材料进 行 加工 ． 对 制造 出具 有特定 功能 的产 品 ． 或 对 某物 质进行 研究 ，掌握 其原 子和分 子 的运 动规 律 和特 性 的崭新 高技 术学科 纳 米技术 还是一 门多 学科 交叉 的 横断 学科 ， 它是 在现代 物理 学 、 化学 和先进 工 程技 术相结 合 的基础上 诞生 的 ，是 一 门与高技 术紧密 结 合的新 型科 学技 术 。纳 米技术是 当今 世界 研究 和开发 的热 点 ，其中 包括 纳米级加 工 和纳米级 测量技 术—— 原子 和分 子 的去 除 、 迁和重组 ， 型 、 搬 微 超精 密机 械和机 电系统 等 等 。
纳米技术论文
纳米技术论文纳米技术：概述与应用前景纳米技术，是指在纳米尺度范围内人为地控制物质、能量和信息等的现代科技，是20世纪末以来迅速发展起来的一门新兴科技。
纳米技术的发展，能够对物质进行精确的控制和改造，从而创造出具有全新性质和性能的纳米材料和器件。
本文将从纳米技术的概念、原理和应用前景三个方面进行阐述。
首先，纳米技术的概念。
纳米技术是一门交叉学科，涵盖了物理学、化学、生物学、材料科学、电子工程等多个学科的内容。
其核心概念是“纳米”，即1纳米等于十亿分之一米。
借助纳米技术，我们可以在纳米尺度上对物质进行精确的操控，包括精确调控其结构、形态、功能等。
通过纳米技术，我们可以制造出纳米材料和纳米器件，具有出色的特性和性能。
其次，纳米技术的原理。
纳米技术的核心原理包括自组装、纳米加工和纳米测量等。
自组装是指纳米尺度的物质自行组合形成结构或功能，利用物质的特性和力学原理进行组装。
纳米加工是指使用纳米尺度的工具和装备对纳米材料进行加工和加工调整。
纳米测量是指使用纳米尺度的测量仪器和技术对纳米材料进行精确测量和表征。
最后，纳米技术的应用前景。
纳米技术具有广泛的应用前景，涵盖了多个领域，如材料科学、医学、能源、环境等。
在材料科学领域，纳米技术可以制造出具有优异性能的纳米材料，如纳米涂层、纳米管、纳米粒子等，用于改进传统材料的性能。
在医学领域，纳米技术可以用于药物传输、诊断和治疗，如纳米药物载体、纳米生物传感器等。
在能源领域，纳米技术可以用于提高能源转化效率和存储密度，如纳米太阳能电池、纳米储能材料等。
在环境领域，纳米技术可以用于水处理、空气净化等环境治理。
总之，纳米技术作为一门前沿科学技术，具有重要的理论价值和应用价值。
通过对纳米材料和纳米器件的精确控制和改造，纳米技术可以创造出具有全新性质和性能的材料和器件，为各个领域的发展带来巨大的推动作用。
纳米技术的应用前景广阔，有望在材料、医学、能源和环境等领域发挥重要作用。
纳米加工技术
纳米加工技术及其应用江苏科技大学机械学院学号：139020021姓名：原旭全纳米尺度的研究作为一门技术,是80年代刚刚兴起的.它所研究的对象是一般研究机构很难涉猎的即非宏观又非微观的中间领域,有人称之为介观领域.所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~l00nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分.纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.其原理使用极尖的探针对被测表面扫描(探针和被侧表面不接触),借助纳米级的三维位移控制系统测量该表面的三维微观立体形貌.材料制造技术.著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.他说的材料即现在的纳米材料.纳米材料是由纳米级的超微粒子经压实和烧结而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般为l一100nm.它包括体积份数近似相等的两部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面.纳米材料的两个重要特征是纳米晶粒和由此产生的高浓度晶界.这导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变.如:纳米陶瓷由脆性变为100%的延展性,甚至出现超塑性.纳米金属居然有导体变成绝缘体.金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中,可大大降低静电作用.纳米Tiq按一定比例加入到化妆品中,可有效遮蔽紫外线.当前纳米材料制造方法主要有:气相法、液相法、放电爆炸法、机械法等.l)气相法:¹热分解法:金属拨基化合物在惰性介质(N2或洁净油)中热分解,或在H冲激光分解.此方法粒度易控制,适于大规模生产.现在用于Ni、Fe、W、M。
机械设计中的微机电系统与纳米技术
机械设计中的微机电系统与纳米技术随着科学技术的不断进步，机械设计领域也得到了前所未有的发展。
其中，微机电系统（MEMS）和纳米技术成为了许多创新设计的关键。
本文将探讨机械设计中的微机电系统与纳米技术的应用和前景。
一、微机电系统（MEMS）概述微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS）是一种结合微电子技术、微机械技术和信息处理技术的综合性新技术领域。
它的特点是器件结构和功能被集成在微米或毫米尺寸的硅基片上，具有体积小、重量轻、低功耗和低成本等优势。
MEMS技术广泛应用于传感器、执行器和微电子机械系统等领域。
例如，加速度计、陀螺仪、压力传感器等都是MEMS技术在机械设计中的重要应用。
通过MEMS技术，可以实现对物理量的高精度测量和控制，为机械设计带来了巨大的便利。
二、纳米技术在机械设计中的应用纳米技术是指对原子、分子和超分子尺度的物质进行控制和制造的技术。
它利用纳米尺度的特性，可以对影响机械设计性能的各个因素进行精确调控，从而实现更高的性能和更小的体积。
1. 纳米涂层技术纳米涂层技术是利用纳米级材料对表面进行涂层处理的一种技术。
通过在机械零件表面形成纳米级的保护层，可以提高零件的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，延长使用寿命，并减小摩擦系数，提高机械传动效率。
2. 纳米材料应用纳米材料可以用于制造更小、更轻的机械零部件。
例如，纳米碳管可以用来制造超轻、超强的机械结构，提高整体性能。
此外，纳米材料还可以用于制造高效的热导材料，提高机械零件的散热能力。
3. 纳米加工技术纳米加工技术是一种利用纳米级精度进行加工的技术。
通过纳米级的刀具和加工工艺，可以实现对微小尺寸结构的制造与加工。
这种技术可以应用于微机电系统的制造、纳米机械元件的加工等领域，为机械设计带来了更高的精度和可靠性。
三、微机电系统与纳米技术的前景微机电系统与纳米技术的结合在机械设计领域具有广阔的前景。
通过微机电系统，可以实现对机械运动和物理量的高精度控制与检测；通过纳米技术，可以实现对机械零件的精确制造与加工。
纳米加工技术
纳米加工技术学院学号姓名日期纳米技术的背景纳米技术是一门方兴未艾的学科和领域。
纳米技术的迅猛发展在21世纪将对人类社会的文明进步及社会的发展起到极其重要的作用,可能将带来第五次技术革命。
世界各发达国家都在为这个21世纪的基础技术抢占科技战略制高点。
纳米技术的强大生命力在于纳米效应(如量子效应、巨大的表面和界面效应等),它能使物质的许多性能发生质变,而实现纳米效应的关键首先是具有纳米结构,任何纳米技术均须依赖通过纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。
因此,纳米结构加工技术是整个纳米技术的核心基础,是当前世界科学研究巫待解决的难题之一。
纳米技术的定义所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~100nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.纳米加工技术的特点众所周知，欲得到1纳米的加工精度，加工的最小单位必然在亚微米级。
由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际已到加工的极限。
纳米级加工是将试件表面的一个个原子或分子作为直接的加工对象，所以，纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合。
实现原子或分子的去除。
而各种物质是以共价键、金属键、离子键或分子结构的形式结合而组成，要切断原子间的结合需要很大的能量密度。
在机械加工中，工具材料的原子间结合能必须大于被加工材料的原子间结合能。
而传统的切削、磨削加工消耗的能量较小，实际上是利用原子、分子或晶体间连接处的缺陷而进行加工的，但想要切断原子间的结合就相当困难的。
因此，纳米加工的物理实质与传统的切削、磨削加工有很大区别。
纳米技术2
纳米技术2纳米技术一般指纳米级(0.1-100nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。
纳米技术主要包括：纳米级精度和表面形貌的测量；纳米级表层物理、化学、机械性能的检测；纳米级精度的加工和纳米级表层的加工原子和分子的去除、搬迁和重组；纳米材料；纳米级微传感器和控制技术；微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合系统；纳米生物学等。
1 纳米级测量技术纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。
纳米级测量技术主要有两个发展方向。
光干涉测量技术可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。
扫描探针显微测量技术主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。
它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。
用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)等。
为对这些纳米级测量方法的测量分辨率、测量精度、测量范围等性能有更好的对比了解，在附表中给出了量性能对比。
2 纳米级表层物理、力学性能的检测各种材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异。
而正是这极薄的表面材料在摩擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用。
反映在现在“信息时代”的新型“智能型”材料的出现，如计算机磁盘、光盘等，要求表层不但有优良的电、磁、光性能，而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。
因此，世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。
表层显微力学探针检测法是连续记录探针针尖加载、逐步压入和卸载、逐步退出试件表层的全过程的压痕深度变化。
因其中包含试件表层的弹性变形、塑性变形、蠕变、变形速率等多种信息，所以通过这信息可测出表层材料的多项力学性能。
用显微力学探针法检测涂层材料的表层硬度等力学性能极为方便有效。
(完整版)纳米技术资料
纳米材料从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。
因此，颗粒尺寸在0.1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。
由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。
并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。
纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。
其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。
纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。
纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。
纳米加工技术
❖ 1999年，中科院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不 仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫 米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。
当前您正浏览第十页，共二十三页。
当前您正浏览第十一页，共二十三页。
工作原理
❖ 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱 针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针 尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放 置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层 表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不 同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨 有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后， 通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的 单个原子的美丽图片。
当前您正浏览第十八页，共二十三页。
❖ 微观操作 ❖ 引发化学反应 ❖ STM在场发射模式时，针尖与样品仍相当
接近，此时用不很高的外加电压（最低可到 10V左右）就可产生足够高的电场，电子在其 作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。这些电 子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运 动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径 很小，一般为毫微米量级，所以可能在毫微米 尺度上引起化学键断裂，发生化学反应[7][8]。
当前您正浏览第九页，共二十三页。
扫描隧道显微镜
❖ 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探 针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家 观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子 力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显 微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确 操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量 工具又是加工工具。
纳米尺度测量技术
纳米尺度测量技术随着科学技术的迅猛发展，人们对微观世界的认识不断加深。
纳米尺度已经成为许多领域的重要研究方向。
然而，要准确测量纳米尺度的物体和现象并非易事，这就需要可靠且精密的纳米尺度测量技术。
一、纳米尺度测量技术的意义纳米尺度测量技术在现代科学研究和工程应用中起着举足轻重的作用。
首先，纳米尺度测量技术有助于科学家们更深入地了解和研究纳米级别的物质特性。
纳米粒子、纳米结构的电子、光学以及磁性等性质，对于开发新型纳米材料和纳米器件具有重要的意义。
其次，纳米尺度测量技术还可应用于纳米制造与纳米加工领域。
纳米尺度测量技术为纳米级别的制造过程提供了质量控制与检测手段，确保了纳米器件的准确性和可靠性。
此外，纳米尺度测量技术也可以应用于生物医学领域。
纳米级别的生物分子或细胞的观测和测量对于疾病的诊断和治疗具有重要意义，同时也为生物医学研究提供了新的手段和方法。
二、纳米尺度测量技术的发展与进展随着科技的不断创新和发展，纳米尺度测量技术的发展取得了巨大的突破。
目前，常用的纳米尺度测量技术包括扫描探针显微术、原子力显微镜、电子束刻线测量技术以及拉曼光谱等。
扫描探针显微术作为一种高分辨率的表面成像技术，广泛应用于材料学、纳米科学和生物技术领域。
它通过传感器上的分子尺度探针，对样品表面的形态、成分、电学和磁学等特性进行测量与分析。
这项技术具有高分辨率、高精度和非破坏性的特点，为研究和应用纳米特性提供了可靠的工具。
原子力显微镜是一种能够在原子尺度下测量材料表面的仪器。
其工作原理是利用探针尖端的力与样品表面之间的相互作用力来测量样品表面的形貌和性质。
原子力显微镜具有高分辨率、大范围性和环境适应性等优点，已经成为纳米科学研究中最重要的工具之一。
电子束刻线测量技术是一种可以精确测量材料表面和薄膜的纳米尺度形貌的方法。
它通过使用电子束照射样品，并利用电子的散射和衍射原理进行测量。
该技术可以同时提供表面形貌和成分信息，并对纳米材料的性质进行研究。
纳米加工技术
纳米加工技术学院学号姓名日期纳米技术的背景纳米技术是一门方兴未艾的学科和领域。
纳米技术的迅猛发展在21世纪将对人类社会的文明进步及社会的发展起到极其重要的作用,可能将带来第五次技术革命。
世界各发达国家都在为这个21世纪的基础技术抢占科技战略制高点。
纳米技术的强大生命力在于纳米效应(如量子效应、巨大的表面和界面效应等),它能使物质的许多性能发生质变,而实现纳米效应的关键首先是具有纳米结构,任何纳米技术均须依赖通过纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。
因此,纳米结构加工技术是整个纳米技术的核心基础,是当前世界科学研究巫待解决的难题之一。
纳米技术的定义所谓纳米技术通常指纳米级(0.1nm~100nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术.纳米技术主要包括纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表层物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工一一原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术;微型和超微型机械;微型和超微型机电系统;纳米生物学等;纳米加工技术是纳米技术的一个组成部分纳米加工的含义是达到纳米级精度(包括纳米级尺寸精度,纳米级形位精度和纳米级表面质量)的加工技术.纳米加工技术的特点众所周知，欲得到1纳米的加工精度，加工的最小单位必然在亚微米级。
由于原子间的距离为0.1-0.3nm，纳米级加工实际已到加工的极限。
纳米级加工是将试件表面的一个个原子或分子作为直接的加工对象，所以，纳米级加工的物理实质就是要切断原子间的结合。
实现原子或分子的去除。
而各种物质是以共价键、金属键、离子键或分子结构的形式结合而组成，要切断原子间的结合需要很大的能量密度。
在机械加工中，工具材料的原子间结合能必须大于被加工材料的原子间结合能。
而传统的切削、磨削加工消耗的能量较小，实际上是利用原子、分子或晶体间连接处的缺陷而进行加工的，但想要切断原子间的结合就相当困难的。
因此，纳米加工的物理实质与传统的切削、磨削加工有很大区别。
什么是纳米技术纳米技术的内容
什么是纳米技术纳米技术的内容纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。
那么你对纳米技术了解多少呢?以下是由店铺整理关于什么是纳米技术的内容，希望大家喜欢! 纳米技术的简介纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等纳米技术的理论含义纳米技术(nanotechnology)，也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。
1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。
因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。
从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。
根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。
这种概念的纳米技术还未取得重大进展。
第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。
也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。
这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。
现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。
此外，还有发热和晃动等问题。
为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。
第三种概念是从生物的角度出发而提出的。
本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。
DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。
纳米材料研究中的仪器设备
纳米材料研究中的仪器设备纳米技术是近年来科学研究和工程技术领域中的一项重要发现，对各行各业的进步和创新产生了深远的影响。
而在纳米材料的研究中，仪器设备的使用起到了不可替代的作用。
本文将介绍纳米材料研究中常用的仪器设备，包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等。
一、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是纳米材料研究中使用最广泛的一种设备。
它利用电子束与样品表面相互作用，通过扫描样品表面得到高分辨率的图像。
SEM能够在纳米尺度下观察样品的形貌、结构和组成元素，并能够定量分析样品的化学成分。
在纳米材料研究中，科研人员常常利用SEM来观察纳米颗粒的形态和分布。
通过SEM的高分辨率图像，研究人员可以进一步了解纳米材料的晶体结构、纳米粒子的大小和形状等重要信息。
此外，SEM还可配合能谱仪进行能谱分析，以确定样品的元素组成和含量，从而帮助研究人员深入理解纳米材料的特性。
二、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种以电子束通过样品来观察样品内部结构的仪器设备。
与SEM不同，TEM可以提供样品的高分辨率显微图像，并且可以观察到纳米尺度的细节。
TEM常常用于观察纳米晶体的晶体结构、界面结构和晶格缺陷等。
在纳米材料研究中，科研人员通常通过TEM来确认纳米材料的晶体结构和尺寸分布。
TEM的高分辨率图像能够显示纳米颗粒的原子排布，帮助研究人员了解纳米材料的微观结构。
同时，TEM还可以用于研究纳米材料的电子衍射和选择性区域电子衍射，获得更加详细的晶格信息。
三、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种利用原子力相互作用对样品表面进行成像的仪器设备。
AFM通过探针和样品之间的作用力来测量样品表面的拓扑结构，并将测量结果转化为图像。
与其他显微镜不同，AFM可以在非真空环境下进行观察，并且可以实现高分辨率的纳米尺度成像。
AFM在纳米材料研究中被广泛应用于观察纳米颗粒的形貌和表面粗糙度。
通过AFM的高分辨率图像，研究人员可以观察到纳米尺度下的表面特征和形态变化。
纳米技术的使用方法和流程
纳米技术的使用方法和流程纳米技术是一种涉及微观尺度的科学和工程领域，利用这项技术可以创造出新材料和新器件，具有广泛的应用前景。
本文将介绍纳米技术的使用方法和流程，帮助读者更好地了解并应用这项前沿技术。
1. 纳米技术概述纳米技术是指在纳米尺度（约为1-100纳米）上进行研究和应用的技术。
在这个尺度上，物质的性能和特性会发生显著的变化，开启了获取新材料和新功能的可能性。
纳米技术应用于医学、材料科学、能源、电子等领域，具有重要的科学和经济价值。
2. 纳米材料的制备纳米材料的制备是使用纳米技术的第一步。
目前常用的纳米材料制备方法包括物理法、化学法和生物法。
- 物理法：包括气相沉积、溅射、蒸发、激光烧结等。
这些方法通过物理手段，如热蒸发、离子辐照等，从原材料中获取纳米尺度的颗粒。
- 化学法：包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、化学沉淀法等。
这些方法通过物质在溶液中的化学反应，生成具有纳米尺度的颗粒。
- 生物法：利用生物体或其代谢产物来合成纳米材料。
生物法制备的纳米材料具有可持续发展和环境友好的特点。
3. 纳米器件的制备纳米技术也可以用于制备微小的器件和系统。
常见的纳米器件包括纳米电子器件、纳米光学器件和纳米机械器件。
制备纳米器件的主要步骤包括设计、制作、组装和测试。
- 设计：根据实际需求和功能要求，设计纳米器件的结构和参数。
这需要考虑物理、化学、材料等方面的因素。
- 制作：利用纳米加工技术，将设备设计图案转化为实际器件。
常用的纳米制造技术包括电子束光刻、扫描探针显微镜等。
- 组装：将制作好的纳米器件组件进行组装，形成完整的纳米系统。
这一步骤通常需要高精度的手工操作或者自动化设备来完成。
- 测试：对组装好的纳米器件进行性能测试和功能验证，确保其满足预期要求。
4. 纳米技术的应用纳米技术的应用可谓广泛，下面列举一些典型的应用领域。
- 医学应用：纳米技术在医学诊断、治疗和制药等方面具有巨大潜力。
如利用纳米颗粒进行传感和成像、使用纳米药物进行靶向治疗等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2003年1月第5卷第1期中国工程科学Engineering ScienceJan.2003Vol 15No 11院士论坛[收稿日期] 2002-07-18;修回日期 2002-07-29[作者简介] 姚骏恩(1932-),男,上海市人,中国工程院院士,中国科学院北京科学仪器研制中心研究员纳米测量仪器和纳米加工技术姚骏恩(中国科学院北京科学仪器研制中心,北京 100080)[摘要] 纳米科技是当今国际上的一个热点。
文章对纳米科技作了简要介绍,纳米测量和加工是纳米科技中的一个不可缺少的重要组成部分。
叙述了发展纳米测量和纳米加工技术的两个主要途径:一是发展传统技术,主要是电子显微术以及最近发展起来的聚焦离子束(FIB )-电子束数控加工中心;二是创造新的测量仪器,建立新原理和新方法,介绍了国内外电子显微镜和扫描探针显微镜这两类纳米测量分析仪器的发展、应用和生产现状。
指出我国电子显微仪器和扫描探针显微镜的开发和生产面临困境,应尽快建立和加强自己的电子显微仪器和扫描探针显微镜等纳米测量和纳米加工设备制造产业,并列入国家科技发展规划。
[关键词] 纳米科技;纳米测量;电子显微镜;扫描探针显微镜;聚焦离子束-电子束装置;仪器生产[中图分类号]TN16;TN405;T B838 [文献标识码]A [文章编号]1009-1742(2003)01-0033-051 纳米科技是当今国际上的一个热点纳米科技是20世纪80年代发展起来的一门新兴科学技术。
一个纳米是十亿分之一米,已接近原子尺度(012～013nm )。
纳米科技涉及的尺度通常是100nm 以下,直到原子尺寸。
在这种尺度上对物质和材料进行研究和处理的科学技术称为纳米科技。
纳米科技实质上就是一种从原子、分子开始制造材料和产品的科学技术;也可以说是在1～100nm 范围内认识和改造自然的科学技术,是一个交叉综合学科,是一个前沿基础学科和高技术融为一体的完整体系。
钱学森早在1991年就指出,纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将是21世纪又一次产业革命。
目前所有的发达国家都对纳米科技的研究、开发投入大量人力物力,试图抢占这一21世纪战略制高点,它可给包括生物技术在内的几乎所有工业领域带来一场革命性变化。
2 当今高技术的核心乃是半导体芯片技术 当今高技术的核心乃是半导体芯片技术,发展的关键是进一步微型化。
元件的尺寸由毫米到微米仍可用传统的科学和技术;从微米到纳米功能元件,尺寸缩小到纳米级,即由有限个原子构成基本功能元件,再由这类新元件组成更复杂的器件,表征这种纳米功能元件的参量具有显著的量子效应和统计涨落特性,就必须发展新理论、新技术和新材料。
于是纳米电子学就应运而生。
芯片的集成度以每18个月硅片上功能元件数增加1倍的速度增加。
元件的尺寸越小,芯片的功能越强。
商用芯片的线宽在2001年达到0113～0110μm ,现已开始0110μm 的竞争,估计2004年大部分半导体制造企业都会采用0110μm 以下的制造工艺[1]。
3 21世纪将是生命科学的世纪现今生命科学已经从描述性、实验性科学向定量科学过渡,研究的焦点是生物大分子,尤其是蛋白质和核酸发展的机构与功能。
纳米生物学是在纳米尺度上研究生物的反应机理,包括修复、复制和调控等方面的生物过程,以对分子的操纵和改性为目的;发展分子工程,主要包括纳米尺度的机器人和信息处理系统。
由于扫描隧道显微镜(STM)[2,3]和原子力显微镜(AFM)[4]等扫描探针显微镜(SPM),可给出生物分子在大气或液体条件下的自然状态、或接近自然状态的纳米结构图像,并具有高度的直观性以及三维表面信息,已成为研究生物大分子高级结构及其对功能影响的理想工具。
现在STM/AFM的视野可从几纳米到100μm量级,使得观察巨大分子甚至细胞的全貌成为现实。
研究对象也从最初的DNA迅速扩大到包括细胞结构、染色体、蛋白质、膜以及DNA和蛋白质的复合物等生物学的大部分领域。
更为重要的是,SPM不仅可作静态观察,还可实现动态成像,在分子水平上了解系统的生物活性,并由单纯观察发展为纳米尺度上直接对生物大分子的操纵和改性(例如对DNA分子进行改性),按分子设计制备具有特定功能的生物零件、生物机器,将生物系统和微机械系统有机地结合起来。
这种技术的诱人之处是有可能把具有多种功能的微型机器注入人体血管内,进行全身健康检查和治疗,如疏通心、脑血管中的血栓,将基因或药物输送到癌细胞和器官,达到直接治疗的目的。
4 纳米测量学和纳米加工综上所述,无论是纳米电子学还是纳米生物学等纳米科技,都涉及对纳米尺度物质的形态、成分、结构及其物理/化学性能(功能)的测量、表征,形成了纳米测量学。
这是人的眼睛和双手在纳米世界的延伸。
由此可见,纳米测量学在纳米科技中起着信息采集和分析的不可缺少的重要作用。
纳米加工是纳米尺度制造业的核心:一是,对宏观材料从大到小进行纳米级的超精加工;另一是,按人们的设计,从小到大直接对原子、分子进行操作、沉积和迁移来制造各种功能材料、元器件。
发展纳米测量学和纳米加工主要有两个途径:一是发展传统技术;二是创造新技术,建立新原理和新方法[5]。
411 发展传统技术发展传统技术,主要是电子束、离子束和光子束技术。
现在高性能透射电子显微镜(TEM)和扫描电子显微镜(SEM)的分辨本领分别达到了011～012nm和016～310nm,从单纯的显微放大发展为:集物质动静态观察、化学成分和结构的分析以及研究与其宏观性能(功能)之间的关系于一体的常规精密仪器[6,7],已广泛用于表征、分析纳米材料和生物大分子的微结构。
纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米棒等新型纳米材料的表征和最终确定,主要依靠电子显微技术。
目前,电子显微镜市场也发生了改变,原来的主要用户是大学和研究单位,现在很多企业也成为买主。
特别是扫描电子显微镜,及在此基础上发展起来的专用大规模集成电路测试设备,甚至透射电子显微镜都已应用于半导体集成电路生产线进行失效分析,提高了成品率[8]。
加工制造微米/纳米器件时,常规的车、铣、、磨、钻、钳等传统加工技术已无能为力。
最近开发出的聚焦离子束-电子束双束纳米加工中心(dual beam focused ion beam system),用高强度聚焦离子束对材料进行纳米加工和扫描电子显微镜实时观察,开辟了从大块材料制造纳米器件、进行纳米加工的新途径。
这种纳米加工中心已用于半导体集成电路生产线,直接修补、加工集成电路,大大提高了生产率[8]。
现在,自电子显微镜发明以来一直影响其分辨本领的电磁透镜球差已可减小到接近于零,采用高亮度场发射电子枪及电子能量过滤器,发展X射线能量色散谱和电子能量损失谱、电子衍射、低温和环境试样室、计算机控制和图像处理等技术,电子显微术正面临新的突破[6]。
412 创造新的测量技术,建立新原理和新方法科学技术上的重大成就往往是以测量仪器和技术方法的突破为先导的。
诺贝尔奖设立的百年来,已约有40人次由于在仪器研制和技术创新方面的贡献获得了诺贝尔奖。
例如,英国克卢格(A1 K lug)博士将付里叶变换方法与电子显微学结合,发展了晶体电子显微学———付里叶电子显微学,开辟了研究生物大分子三维重构的新途径,使人们对生命至关重要的核酸-蛋白质复合体的晶体结构和功能有了较细致的了解。
为此,克卢格博士获得了1982年的诺贝尔奖化学奖[9]。
1982年卢雷尔(H1Rohrer)与宾尼(G1Binnig)博士发明了扫描隧道显微镜,为人类在原子级和纳米级水平上研究物质表面原子、分子43中国工程科学第5卷的几何结构及与其电子行为有关的物理、化学性质开辟了新的途径。
作为纳米测量强有力的工具,在扫描隧道显微镜基础上发展起来的原子力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、电化学扫描隧道显微镜、光子扫描隧道显微镜(PSTM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)等扫描探针显微镜(SPM),以及各种谱学分析手段与其相结合的新纳米测量技术已相继出现,推动了纳米科技的兴起和发展。
利用各种物质针尖获得有关试样表面信息的技术也可称为针尖技术(近场技术)。
为此,三位纳米测量技术的主要开创者———STM的发明人卢雷尔与宾尼博士和制造世界上第一台电子显微镜的鲁斯卡(E1Ruska)教授,分享了1986年诺贝尔物理奖[10]。
扫描探针显微镜已广泛用于基础科学研究和工业生产,成为纳米科技,包括纳米生物科技在内的常规基本工具。
利用扫描隧道显微镜、原子力显微镜还可研制纳米级电子(量子)器件,实现原子操纵[11],进行纳米加工[12],其市场前景及在未来国民经济中的作用非常巨大。
特别是1996年以来, IC及光盘工业已大量采用SPM作为测量及质量控制的手段,为SPM在工业界开辟了市场。
据预测, SPM在工业界的市场将大大超过其在科研与教学领域。
SPM已超越了作为一种认识世界的工具———显微镜的意义,而成为能创造财富的纳米机器。
欧共体在1995年专门成立了国际专家小组,对SPM在以IC为主流的高科技产业中的应用价值及前景作了全面总结,认为可以大大提高IC的生产质量及效率。
SPM,特别是AFM,由于价格适当,将在实验室中与光学显微镜一样,得到广泛应用。
正因为如此,自1987年SPM开始商品化以来,十几年间SPM本身已形成了一个颇具规模的新兴产业。
美国DI公司到1997年底前已销售了2600台SPM,1997年度的销售额为5000万美元。
全世界的总销售量约为DI公司的2倍。
目前SPM国际市场约为每年1000台(1～2亿美元),并仍处在继续增长阶段。
SPM的相关技术已开始扩展为以近场相互作用为基本原理的传感器技术群,正在汽车、通讯、航天及军事领域中取代传统的传感技术,这又为SPM产业的发展提供了更为广阔的空间。
5 我国电子显微镜、扫描探针显微镜的开发和生产[13～15]511 透射电子显微镜1958—1959年中国科学院长春光学与精密机械研究所开创了我国的电子显微镜制造事业。
在完成了我国第一台中型电镜后,又自行设计研制了大型电子显微镜。
1964年长春光机所的电子显微镜研究室转并到在北京的中国科学院科学仪器厂(后为中国科学院北京科学仪器研制中心,北京中科科仪技术发展有限公司,KYKY),先后研制生产了两种高分辨100kV透射电镜(TEM)。
上海精密医疗器械厂(后为上海电子光学技术研究所)成批生产了100kV TEM,开发了120kV透射电镜,组装了日本J EOL公司的200CX型TEM,1989年又研制成我国首台200kV透射电镜。
1959年起江南光学仪器厂(现江南光电集团)批量生产了几种普及用的透射电镜,1985年起引进日本日立公司H600A型高分辨透射电镜制造技术,1993年实现了国产化并投入生产。