第十三章--纳米测量学
第十三章纳米测量技术
例：用AFM测量硅片表面不平度
图13-1
在外加电场的作用下，电子会穿过两个电极之间 的势垒流向另一电极，这种现象即隧道效应，图13-1 示出了此效应的原理。
隧道电流I 是电子波函数重叠的量度，与针尖和 样品之间距离S和平均功函数Φ有关:
I ∝ Vb exp(− AΦ S )......................(13 − 1) Vb是加在针尖和样品之间的偏置电压，平均功函数
这些显微镜技术都是利用探针与样品的不同相互 作用来探测表面或界面在纳米尺度上表现出来的物 理性质和化学性质。 上述各类扫描探针显微镜，均由三部分组成： 1.纳米传感系统 2.三维扫描工作台及其测量控制系统 3.信息处理及图像分析系统
13-2 扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜(STM)的基 本原理是利用量子理论中的隧 道效应，将原子尺度的极细探 针和被研究物质的表面作为两 个电极，当样品与针尖的距离 非常接近时(通常小于1nm)，
图13-5
图13-5(a)是接触模式下得到的SrTiO3表面溅射 淀积的YBa2Cu3O7～8薄膜，成像面积为0.8μm X0.8 μm 。从图中可以清楚地看到超导薄膜上的螺旋形错 位。图13-5 (b)是非接触模式下得到的硅[111]表面的 7X7原子构像。
实验： 测量硅片表面不平度(或者微透镜 实验：用AFM测量硅片表面不平度 测量硅片表面不平度 阵列冠高) 仪器：扫描探针显微镜SPM （光电国家实验室）
将针尖在样品表面扫描时运动的轨迹直接记录显 示出来，就得到了样品表面态密度的分布或原子排列 的图像。这种扫描方式可用于观察表面形貌起伏较大 的样品，且可通过加在z向驱动器上的电压值推算表面 起伏高度的数值，这是一种常用的扫描模式。 测量方式二： 测量方式二： 对于起伏不大的样品表面，可以控制针尖高度守恒 扫描，通过记录隧道电流的变化亦可得到表面态密度 的分布，见图13-2(b)。 这种扫描方式的特点是扫描速度快，能够减小噪音 和热漂移对信号的影响，但一般不能用于观察表面起 伏大于1nm的样品。
纳米技术及其尺度的精密测量
纳米技术及其尺度的精密测量纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。
纳米=10^-9 m.1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1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。
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。
纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。
这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。
纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。
其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。
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。
纳米技术-技术概述1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：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，促进了纳米技术的发展。
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。
纳米测量技术标准的基础研究(1)
项目名称：纳米测量技术标准的基础研究二、预期目标本项目的总体目标是解决纳米测量技术标准中的关键科学问题，提高相关学科领域基础研究水平，增强我国在纳米技术国际标准制定中的地位，为我国纳米产业在今后5-10年内的国际竞争提供保障。
五年预期目标是：在纳米测量与表征、纳米生物效应、纳米材料等领域获得5-10项国际标准立项及10-20项国家标准，10-20项纳米测量用和功效评价用国家标准物质/标准样品，研制和定值达到国际先进水平，形成纳米结构物性鉴定和功能评价方面的系列准则和标准，发表一批纳米测量技术标准化方面的高水平研究论文。
三、研究方案1）学术思路本项目的总体研究思路是围绕纳米测量技术标准化中的关键科学问题和纳米产业急需的关键技术问题，由基础研究到应用研究，由简单体系到复杂体系，通过溯源计量和标准物质/标准样品提高纳米测量的准确性和可靠性。
本项目测量量值的设置由最基本的尺度测量延伸到物性测量；待测体系则从单一结构跨越到复杂结构和环境；功能特性从单一功能特性向多功能特性发展；研究层次上从纳米物质与简单小分子相互作用、扩展到与复杂大分子到细胞水平相互作用。
在纳米测量技术标准方面的思路是兼顾基本特性（长度测量）和功能特性（光电性质）。
在纳米标准物质/标准样品研制方面的思路是：以特定应用的纳米标准物质/样品为牵引，以涉及的基本科学/技术问题为核心开展研究，最终得到：1)特定合成方法中影响纳米晶体单分散性的关键因素并探索纳米晶尺寸单分散性的控制极限； 2)形成三个层次的标准物质/样品：纳米计量用标准物质、纳米基本物性表征用标准物质/标准样品和纳米功能特性评价用标准样品。
纳米生物安全健康方面的研究思路则以研究纳米结构和各种介质界面的物理化学机制为依托，开展纳米颗粒富集、检测及安全性评价方面的研究。
纳米制造和应用的研究思路以研究纳米材料在复杂环境中的准确可靠测量为基础，形成纳米物性鉴定和性能评价的准则和标准方法2）技术途径在SEM测长方面，利用二次电子图像进行纳米尺度测量，被测物线宽的确定算法是精确测量的关键。
纳米测量光学实验
6. 纳米测量光学实验一、 实验目的和内容1． 建立纳米测量的概念，了解其实现方法。
2． 了解微弱振动监测的原理3． 利用笔束激光干涉法进行纳米量级的位移测量。
二、 实验基本原理1．位移的纳米测量方法纳米科学是在纳米（10-9m ）和原子（约10-8m ）的尺度上（1nm ～100nm ）研究物质的特性、物质相互作用以及如何利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。
纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。
用于纳米测量的笔束激光干涉仪原理如图1所示：激光器发出的激光，是甚细的准直激光束（称为笔束光），记其波前为U 0。
被分光镜4分为测量光束m I ~和参考光束r I ~。
这两笔束光分别经各自的直角棱镜反射后，被平行地反射回来并再一次到达分光镜4，但此时m I ~与r I ~已不再重合，而是存在一间距2d 。
经过分光镜4后，测量光束与参考光束平行入射至傅立叶变换（FT ）透镜8，并在FT 透镜8的后焦面上发生干涉，形成计量条纹。
干涉条纹被物镜10放大后成像于CMOS11上，通过图像采集卡输入计算机进行数据处理。
在CMOS 上干涉条纹的位移量x fX f =Mf λN/(2d)式中N 为条纹移动数，M 为物镜10的放大倍数，f 为FT 透镜8的焦距，2d 为测量光束与参考光束的空间间距，S 为测量镜的位移量。
从上式中知道，记录干涉条纹移动数，就可得到位移量，而测量的灵敏度完全取决于物镜放大率，FT 透镜的焦距和2d 。
当f 足够大2d 足够小（所以用笔束光的理由），就可以得到纳米量级灵敏度。
而该装置却很简单 2．微弱振动的纳米测量与监视四．振动测量是基于振动物体位移引起测量光波位相的调制，通过与参考光波发生干涉电接收装置将干涉信号转变为电信号，经过适当的电子学处理，求得振幅值。
激光入射光强I 0，经分光镜BS 后，一支光束射向参考镜M 1，光强为I 1，光程长l 1；另一支光束射向贴在振动台面上的测量反射镜M 2，光强为I 2，测量镜静止时光程长l 2。
纳米精度测量技术和空间数字化测量技术(部分)
三坐标测量机动态误差分离与修正
误差显示窗口 靶镜 Z向主轴
Y方向
X方向
三坐标测量机 双频激光干涉仪 参考干涉镜 测量机测量系统X向动态误差测装置图
专用夹具
测量机测量系统Y向动态误差测量装置图
激光示值
z
光栅示值
误差示值
y
误差曲线
x
空间测量位置
Thank you!
用原子力显微镜在Si（111）表面上提取单个Si原子
在Cu（111）表面上移动 C 60 分子
线值纳米测量仪
标普纳米量块快速检测仪
美国NIST分子测量机
荷兰Eindhoven大学高精度3D-CMM
采用三点对称式机台设计，符合阿贝原理的位置测量系统
working volume : 100*100*100 mm 线性步进压电马达+光栅尺 MEMS Probe Diameter: 0.3mm Uncertainty: 50nm
德国PTB的Special CMM
采用传统的高精度CMM机台，新开发接触式的光纤 感应及非接触式CCD感应的双探头系统
测量范围为25×40×25mm Probe Diameter: 25 um Uncertainty: 100nm
合肥工业大学承担的国际重大合作项目 纳米三坐标测量机方案
测量范围：25mm×25mm×10mm 测量不确定度：10nm
1mm
Grain of sand 1 mm
0,1mm=100µ m
Ni micromachined gear 100 µm
Microtechnology
Biological cell 10 µm
0,01mm=10µ m
1µ m 0,1µ m=100nm
纳米测量技术现在与未来
ห้องสมุดไป่ตู้
一、纳米测量产生的时代背景
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。以微电子工业为例，美国Inter公司已经 在实验室内采用超短紫外线激光光刻技术成功地实 现了分辨率为130nm线路的制造工艺。美国不久前 提出的超电子学研发计划，要求未来的电子器件要 比现有的电子器件的存储密度高（ 5~100 ）倍，速 度快（ 10~100 ）倍，功耗则要小于现在器件功耗 的 2% 。要实现这一目标，电子器件的尺寸必将进 入纳米技术的尺度范围，即要小于100nm。为此， 微电子器件过渡到纳米电子器件是21世纪的必然。 2003年Serbin等采用飞秒激光诱导无机/有机混合材 料的双光子聚合，获得了结构尺寸小于200nm，周 期为450nm的三维结构和光子晶体。同时，机械工 业的超精密加工能力也已达到纳米量级。为由美
三、可实现纳米测量的技术和仪器
纳米级测量技术在本文专指：纳米级精度的尺 寸及位移的测量，纳米级表面形貌的测量。 近十几年来，随着测量技术的飞速发展，至今 已经出现了多种可以实现纳米测量的技术和仪器。 现在纳米级测量技术主要有两个发展方向：光干涉 测量技术和扫描显微测量技术。
1. 光干涉测量技术
这种方法是利用光的干涉条纹的提高其测量 分辨率。由于纳米级测量彩波长很短的激光或 X 射 线，故可以有很高的测量分辨率。光干涉测量技术 既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。下面介绍利用此原理的测量方法。 （1）双频激光干涉测量仪：图1是双频激光干 涉测量系统的原理图。双频激光干涉测量系统受环 境干扰的影响比单频激光测量系统要小很多，使测 量精度大大提高，因而这种测量系统得以广泛的生 产应用。常用的双频激光干涉测量系统测长度时分 辨率达到 0.01 μ m ，采用空气参数补偿后测量精度 达0.1μm以上。
纳米测量光学实验(中大)
纳米测量光学实验中山大学 光信一、仪器用具和实验装置图实验用具：激光器、平面反射镜、棱镜反射镜、CMOS 光电接受器、可调光阑、半反射镜、物镜、压电陶瓷及控制电源。
图1 实验装置图二、实验原理1、位移的纳米测量方法目前，能够进行纳米测量的方法主要有：非光学方法和光学方法两大类。
前者以扫描隧道显微镜（STM ）、原子力扫描显微镜等为代表，虽能实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，但这些方法在溯源到米定义的时候，人需要利用激光干涉仪等光学方法进行定标和校正，因此，光学纳米测量方法在世界上倍受重视。
光学纳米测量方法主要有以下几种：频率跟踪法（F-P 干涉仪）；光外差干涉仪；偏振干涉仪；调频干涉仪；光栅干涉仪；笔束激光干涉法等。
纳米测量过程需要建立一个合适的纳米测量环境，以便提高测量精度，减少误差。
需注意以下几点：（1）采用各种减震隔离装置，包括气浮式、电磁式和机械式隔振系统。
一方面减小外界振动对测量系统的影响，另一方面将测量系统的振动固有频率远离振动源的频率。
（2）保持实验室的室温恒定，减少由于光程差随温度变化而带来的误差。
（3）采取措施，减少空气扰动的影响。
故测量时要注意遵循以下的原则：（1）共光路系统原则；（2）补偿原则；（3）减小受影图13.2 公焦实验装置图图13.1 笔束激光干涉仪原理图响的光路的原则；（4）减少杂散光原则；（5）交流调制放大原则。
本实验使用笔束激光干涉法，它是一种经过改良后的光学干涉法，测量精度也可达到纳米量级，其原理图如图2所示：图2 笔束激光干涉仪原理图 激光器发出的是光斑直径甚细的准直激光束，即笔束光，记其相位分布为0U 。
半反射镜将笔束光分为待测光束和参考光束。
这两笔束光分别经待测反射棱镜和参考反射棱镜后，回到半反射镜，由于反射棱镜的关系此时待测与参考光束已不再重合，而是存在一定的间距2d 。
透过半反射镜后，待测光束与参考光束平行入射到成像透镜，并在成像透镜的后焦面上重合发生干涉，形成干涉条纹。
纳米测试技术
精密测试技术论文纳米测试技术在微电子中的应用姓名：杜翠翠学号：04091055班级：04091102引言纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。
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。
纳米技术兴起于20世纪80年代，随着它的逐步发展和完善，人类将必然在认识和改造自然方面进入一个前所未有的新阶段关键词：纳米技术，传感器，测试计量，存储技术一、课题研究背景微/纳米技术作为当前发展最迅速，研究广泛、投入最多的科学技术之一，被认为是当前科技发展的重要前沿。
在该科技中，微/纳米的超精密测量技术是代表性的研究领域，也是微/纳米科技得以发展的前提和基础。
在微/纳测量领域，基础问题包括纳米计量、纳米测量系统理论与设计、微观形貌测量等方面，主要研究问题和方向为：基于扫描电子显微镜的精密纳米计量、微纳坐标测量机（分子测量机）、基于干涉的非接触微观形貌测量、基于原子晶格作刻度的X 射线干涉测量及其与光学干涉仪的组合原理、纳米测量系统设计理论和微纳尺寸测量条件的研究等。
涉及的重要工程测量问题有：面向MEMS 和MOEMS 的微尺度测量、面向22 nm～45 nm极大规模集成电路制造的测量等。
无论是集成电路技术，还是微系统技术或纳米技术，其共同的特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围，因此可以统称为微纳米技术。
微纳米技术依赖于微纳米尺度的功能结构与器件。
实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。
在过去50年中，正是微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发展，导致集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高。
现代微纳米加工技术已经能够将上亿只晶体管做在方寸大小的芯片上。
除了集成电路芯片中的晶体管越做越小，微纳米加工技术还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸（如下图2.1所示）。
纳米实验力学中的相关测试技术
纳米实验力学中的相关测试技术第一篇：纳米实验力学中的相关测试技术纳米实验力学中的相关测试技术摘要：材料纳观力学特性与纳米材料力学特性的测试是纳米实验力学的基本内容。
本文对纳米硬度技术、纳米云纹技术、扫描力显微镜技术等主要的几种纳米实验力学测试技术进行介绍，了解纳米力学实验技术的发展。
关键词纳米实验力学测试技术引言纳米力学从研究的手段上可分为纳观计算力学和纳米实验力学。
纳米计算力学包括量子力学计算方法、分子动力学计算和跨层次计算等不同类型的数值模拟方法。
纳米实验力学则有两层含义：一是以纳米层次的分辨率来测量力学场，即所谓的材料纳观实验力学；二是对特征尺度为1-100nm之间的微细结构进行的实验力学研究，即所谓的纳米材料实验力学。
纳米实验力学研究有两种途径：一是对常规的硬度测试技术、云纹法等宏观力学测试技术进行改造，使它们能适应纳米力学测量的需要；另一类是创造如原子力显微镜、摩擦力显微镜等新的纳米力学测量技术建立新原理、新方法。
本文中主要对当今几种主要材料纳观力学与纳米材料力学特性测试方法：纳米硬度技术、纳米云纹技术、扫描力显微镜技术等进行概述。
一、纳米硬度技术随着现代材料表面工程、微电子、集成微光机电系统、生物和医学材料的发展试样本身或表面改性层厚度越来越小。
传统的硬度测量已无法满足新材料研究的需要，于是纳米硬度技术应运而生。
纳米硬度计是纳米硬度测量的主要仪器，它是一种检测材料微小体积内力学性能的测试仪器，包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式。
由于压痕或划痕深度一般控制在微米甚至纳米尺度，因此该类仪器已成为电子薄膜、涂层、材料表面及其改性的力学性能检测的理想手段。
它不需要将表层从基体上剥离，便可直接给出材料表层力学性质的空间分布。
1、纳米压痕法纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能的先进技术。
其原理是在加载过程中试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。
纳米测量技术
光子扫描隧道显微镜
工作原理:光学中的受抑全反射理论
光子在疏密介质组成的界面上发生全反射时，其 波动将会渗透到光疏介质中并沿界面传播。其强度沿 界面法线方向指数衰减。
若用一只极细的光导纤维与该表面贴近到小于光
波波长的距离，光子会通过隧道效应而被耦合到光 纤中而被检测到。由于被检测表面所产生的衰减磁 场与该表面相似，如果使光纤上下移动而获得相同 强度的信号，则光纤的高度位置就反映了表面形态。
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。
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。
信号送入计算机。应用程序再根据一定的算法便
可以计算出空气薄膜厚度。
其他几种光学纳米测量方法
除了前述的纳米测量方法以外，还有激光偏振 干涉仪、光栅干涉仪、调频干涉仪、合成波长纳米 测量等方法。
利用一种特殊的方法测得该薄膜的光强反射率, 进而根据薄膜厚度与入射光波长和相应的光强 反射率之间的函数关系建立方程组。通过对方 程组求解,计算出薄膜的厚度。多波长干涉测量 法能够避免移相干涉法中移相器所带来的误差, 并且可根据不同波长的光波测出的结果相互校 正,提高了测量精度。
测试系统原理图
如上图 所示, 由白光源发出的光束经分束片1反 射后垂直入射到石英玻璃片, 在石英玻璃片下 表面分成2 束,其中一束穿过空气薄膜,从被测表
chap10 纳米测量技术
纳米测量技术
纳米科学技术的发展涉及到微电子学 光学 材料学 机 械学 生物与生命科学等科学研究和工业领域 它们都要求提 供纳米 甚至亚纳米计量测试手段 发展与之相适应的纳米计 量学理论和能够溯源的纳米 亚纳米计量测试技术 已成为一 项迫切需要解决的重要任务 1981年IBM公司成功地研制了世界上第一台扫描隧道显微 镜 STM 使人类有史以来第一次能够实时地观察到单个原 子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性 质 此后 一系列能检测到原子量级的检测技术 如原子力显 扫描近场光学显微镜 SNOM 光子扫描隧 微镜 AFM 道显微镜 PSTM 等相继出现 人类可以按自己的意愿直接 操纵单个原子或分子 从而制造出具有特定功能的产品 G.Binning 和 H.Rohrer也因此而获得了1986年的诺贝尔物理奖
此后 一系列能检测到原子量级的检测技术 如原子力 显微镜 Atomic Force Microscope AFM 扫描近场光学 显微镜 Scanning Near-Field Optical Microsope SNOM 光子扫描隧道显微镜 PSTM 等相继出现 从而在本世纪最 后十年 诞生了一门全新的学科 ― 纳米计量学 在20世纪初 精密机械的制造精度 包括系统误差和随 机误差 仅为10 μm左右 发展到90年代 已提高到了几个 nm 而预期到21世纪初 将达到纳米甚至亚纳米量级 可见 研制可用地被加工件在线或离线测量的长度 位移纳米测量 系统是非常需要的
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光反射法
可达到原子级分辨率 纵向分辨率可达到0.01nm 该方法简 单 但要求悬臂梁背面有光滑反射表面和足够的反射率 当 用比较透明的材料制作悬臂梁时 往往在悬臂梁背面沉积金 属层以提高反射率 是目前商品AFM中用的最广泛的一种方 法
纳米测量技术及应用
纳米测量技术及应用纳米测量技术是基于纳米尺度物质特性的测量技术，具有高精度、高灵敏度、高分辨率和非接触性等特点。
它广泛应用于纳米科学、纳米技术、生物医学、材料科学等领域。
本文将围绕纳米测量技术的原理和应用展开，同时介绍国内外相关研究进展。
首先，我们来了解纳米测量技术的原理。
纳米尺度下物质的特性与宏观尺度具有显著差异，例如表面效应、量子效应和尺寸效应等。
传统的测量方法往往无法满足对这些特性的精确测量需求，因此，纳米测量技术应运而生。
它通过使用纳米探针和纳米力学系统，利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和纳米机器人等设备，对纳米尺度下物质的性能、形态和结构等进行测量和分析。
纳米测量技术的应用非常广泛。
在纳米科学与技术领域，纳米测量技术可以用于表征纳米级材料的物理、电学、化学和力学等性质，帮助科学家了解纳米尺度下物质的行为规律和性能变化。
在纳米材料制备领域，纳米测量技术可以使用原子力显微镜等设备对纳米颗粒的尺寸、形状和分布等进行测量，从而控制和优化材料的性能。
在纳米装置制造领域，纳米测量技术可以用于检测和修复纳米级器件和电路的结构和性能，保证其正常运行和可靠性。
在纳米生物医学领域，纳米测量技术可以用于分子、细胞和组织的成像和分析，提供基于纳米尺度的生物信息和医学诊断手段。
除此之外，纳米测量技术还可以应用于纳米流体力学、纳米能源和纳米环境等领域。
国内外在纳米测量技术方面的研究也取得了诸多进展。
例如，美国国家标准与技术研究院（NIST）开展了针对纳米颗粒尺寸测量的研究，提出了一种纳米颗粒尺寸测量的新方法，通过使用非球形标准样品和高分辨率显微镜对纳米颗粒进行测量。
中国科学院纳米技术与纳米生物医学重点实验室也开展了一系列关于纳米力学测试和纳米流体力学测试的研究，提出了一种基于AFM原子力显微镜的纳米材料力学性能的测试方法。
纳米测量技术的发展还面临一些挑战。
首先，纳米尺度下物质的测量往往受限于分辨率和灵敏度等因素。
纳米测量技术及应用的发展现状
3. 激光偏振干涉仪 偏振干涉仪被用来进行纳米测量是利用了激光的偏振特性, 相 对于其它干涉仪具有其独特的优点。这种干涉仪采用共光路, 大大减小了外界环境的影响; 另外, 采用对光学信号进行细分 和光程倍增技术,使得干涉仪的分辨力得到很大提高, 达到亚纳 米级。
图 3 激光偏振干涉仪结构图
4. X射线干涉仪 测量纳米的主要优势是它可以直接作为长度标尺, 并校准其它 纳米测量系统。英国、 德国、 日本、 美国等国家都对 X射线 干涉仪进行了研制。由于在纳米、 亚纳米测量领域的特殊优 越性, X射线干涉仪越来越表现出重要的应用价值。
图 4 X射线干涉仪原理图
5.光栅干涉仪 光栅技术用于纳米测量的主要特点是光栅位移的脉冲当量为 光栅常数的一半, 它不随入射光波长和强度的变化而变化。 具有高质量正弦信号, 信噪比高, 抗干扰能力强, 光路短等优 点。因此, 对于长时间测量, 在测量范围较大, 温度、 湿度、
界振动、 电磁干扰的影响等。
总结
纳米测量技术伴随纳米科技全面进入二十 一世纪, 不仅为科学发展带来了机遇, 也促进 了经济和高技术的飞速发展。我们相信, 纳 米测量方法的研究将不断推陈出新, 促进纳 米技术的更快发展。
谢谢观赏
二.光学纳米测量方法
这是以各种激光干涉仪为代表的光学测量方法, 其中包括 X 射线干涉仪、 双频激光干涉仪, 激光偏振干涉仪、 光栅干涉 测量、 F-P干涉仪等。在光学纳米测量方法中, 主要为激光干 涉的方法, 它采用光程倍增和锁相放大等技术, 在很大程度上 提高了干涉仪的分辨力和准确度。
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 国内外关注下面给出一些光学的纳米测量方法。
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。
纳米技术及其应用
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二、纳米材料及其应用
１、纳米技术——21世纪新产品诞生的源泉 ２、受到各国关注的新科技 ３、纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用 ４、纳米陶瓷极具市场潜力 ５、产品形成系列，应用前景看好
西安交通大学
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1、纳米技术—— 21世纪新产品诞生的源泉
A、神奇的介观世界 B、巨大的应用价值 C、产品创新的好思路
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A、神奇的介观世界
——尺寸效应
尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低， 宏观固体的准连续能带消失了，而表现为分裂 的能级，量子尺寸效应十分显著。
尺寸小，电子被局限在一个纳米空间，电子输 运受到限制，电子平均自由程缩短，电子的局 域性和相干性增强。
纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规 材料不同，出现许多新奇特性。
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B、巨大的应用价值 ——轻工领域纳米材料的应用
把金属的纳米颗粒放入陶瓷中，可大大改善材料的力学性 质。
纳米Si2O3和SiO2粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐 磨性。
SiOx放入金属或合金中可以使晶粒细化，大大改善力学性 质，提高了高温冲击韧性。
美国成功地把纳米粒子用于磁制冷上。
粒的吸收带普遍存在“蓝移”。
纳米粉体的熔点、烧结温度均比常规粉体低得多。
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A、神奇的介观世界 ——表面效应
纳米材料的尺寸小，位于表面的原子数所占总原子 数的比例很大，产生相当高的表面能。
随着粒径减小，表面原子数迅速增加： 粒径10nm时，表面原子所占比例20%，包含原子数3 104 ； 粒径为2nm，所占比例增加到80%，包含2.5102原子 ； 粒径达到1nm时，所占比例竟有99%，但是所包含的总原子 数只有30。
光信息专业实验报告：纳米测量光学实验 (3)
光信息专业实验报告：纳米测量光学实验一、 实验目的1、建立纳米测量的概念，了解其实现方法。
2、掌握利用笔束激光干涉法进行纳米精度的位移和振动测量的方法。
二、 实验基本原理1、位移的纳米测量方法用于纳米测量的笔束激光干涉仪原理如图1所示：激光器发出的激光，是甚细的准直激光束（称为笔束光）。
具体的光路如图1所示，其光学过程较容易分析。
这里不赘述。
可以看得，实验中正是利用光程不变的参考光与光程随压电陶瓷位移而改变的待测光相互干涉的原理来测量细小位移的。
此实验装置有以下几个有意义的地方： （1）笔束激光的产生：实验中使用的是普通的激光器，如何使得出射的光为甚细的准直激光束？参见图2，可以看到，实验中是利用衰减片和2个定向孔来产生笔束激光的。
让激光器出射的激光通过衰减片，则激光束中心以外的光被较大程度地衰减掉。
接着再通过定向孔3和5使光束严格地定向且光斑较小。
然而，这也涉及到测量的一个问题。
如果衰减片过多地限制了光的通过，则最后CCD 探测到的光强将比较小。
那么，外界的一点点扰动将引起干涉条纹的较大移动，从而影响了实验结果。
所以，在光束的准直和光强分布二者的选择间必须适当地取一个平衡点，以满足双方的需求。
（2）实验测量精度：相比于传统的迈克尔逊干涉仪，本实验的测量精度有了很大的提高，从半波长到百分之一波长。
根据光路图及理论分析，我们可以知道，压电陶瓷的位移s 将引起CCD 上干涉条纹的位移量X f 为：2f MfsX d=（1） 其中，M 为物镜的放大倍数，f 为成像透镜的焦距，2d 为待测光束与参考光束的空间间距，s 为待测镜的位移量。
倒过来讲，如果能够测得干涉条纹的位移量，则待测镜的位移量可写为：2f dX s Mf=（2）实验中，我们采用的各物理量的数值为：20,180,3M f mm d mm ===。
代入（2）式，可以得到：600f X s =（3）图1 理论实验装置图图2 实际实验装置图下面分析实验精度是如何实现的： A 、 杨氏双缝模型从光路图可以分析得知，此实验光路与杨氏双缝模型是相似的，而与传统的迈克尔逊等倾干涉模型是 不同的。
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AFM的原理：
类似于指针轮廓仪，但采用STM 技术，指针轮廓仪利用指针针尖， 通过杠杆或弹性元件把针尖轻轻压在待测表面上，使针尖在待测表面上 作光栅扫描或针尖固定，表面相对针尖作相应移动，针尖随表面的凹凸 作起伏运动，用光学或电学方法测量起伏位移随位置的变化，于是得到 表面三维轮廓图。AFM针尖半径接近原子尺寸，所加弹力可以小至1010N，在空气中测量，横向分辨达0.15nm，纵向分辨达0.05nm。 在力学结构上，可以把探针看成是微悬臂。激光检测AFM利用激光 束的偏转来检测微悬臂的运动。因为激光束能量高，且具有单色性，因 此能够提高仪器的可靠性和稳定性，避免因隧道污染所产生的噪声；同 时，还能提高原子间作用力检测的灵敏度，大大减小微悬臂对样品的影 响，扩大仪器的适用范围，使其更加适合于有机分子的研究。另外激光 检测AFM经过适当改进后，可用来检测样品表面的磁力、静电力等。
注：摄影目标可全部曝光或经过扫描拍照，在多数情形下采用X 射线同步加速器代替X射线光束源
曝光时间 X射线技术的实验样机已在德国开发出来．这 台样机配备了等离子聚焦作为x射线源．目前它可以 制造出横向分辨率达30nm的像片．另外还有一种可 能性是利用相应的X射线光学元件对X射线束进行聚 焦并对目标进行扫描摄像。 当前的开发方向应该对以下几个方面加以改进： １.分辨及衍射率 ２.降低x射线束对目标的损坏程度 ３.在厚的摄像目标的特殊区域采用隔离的技术
扫描隧道显微镜（STM）
当然，为了看清一个个原子，STM的探针尖也应该细到 原子的尺度，这靠机械打磨是办不到的。实际上是在探针尖和 材料之间加以高压，从材料表面分子的 直接操纵。 Tip A sample
STM原理示意图
发展纳米测量科学有两个重要途径：
１.创造新的纳米测量技术、建立新原理、新方法。
近年来此种途径发展较快，1984年Binnig和Rohrer首先研 制成功扫描隧道显微镜(STM),为人类在纳米级乃至在原子级 水平上研究物质的表面原子ֽ分子的几何结构及与电子行为有 关的物理ֽ化学性质开辟了新的途径，因而获得了1985年诺贝 尔物理学奖。 10多年来，作为纳米测量强有力手段的SPM技术( 扫描探 针显微镜技术),包括STM(扫描隧道显微镜)ֽAFM(原子力显微 镜)ֽMFM(磁力显微镜)等,已发展成为商品。 近年来，近场光学显微镜、光子扫描隧道显微镜以及各 种谱学分析手段与SPM技术相结合的新型纳米测量技术已相 继出现，推动了纳米测量学的发展。
STM原理演示图
STM扫描照片
原子力显微镜（AFM）
1986年，诺贝尔奖金获得者宾尼等人发明了AFM。它靠探测针尖与 样品表面原子微弱的原子间作用力的变化来观察表面结构；它不仅可以 观察导体和半导体的表面形貌，而且可以观察非导体(绝缘体)的表面形 貌，弥补了STM只能直接观察导体和半导体之不足。它不仅可以测量绝 缘体表面形貌，达到接近原子分辨，还可以测量表面原子间的力，例如： 表面的弹性、塑性、硬度、黏着力、摩擦力等性质。由于许多实用的材 料或感光的样品是不导电的，因此AFM的出现也引起了科学界的普遍重 视。1987年斯坦福大学的Quate等人报道他们的AFM达到了原子级分辨 率。 目前原子力显微技术有以下两种基本的应用工艺:接触法和非接触法。 像隧道扫描显微技术一样，原子力显微技术也可获得0.1nm的横向分 辨率，0.1nm的纵向分辨率。原子力显微技术已经迅速地成为表面分析 领域最通用的显微分析方法，并且与电子扫描技术具有同等的重要性。
13.2.3 质谱分析技术
13.2.4 显微分析技术
13.2.5 扫描探针技术
13.2.6 纳米表面的测量技术
第一节 纳米测量学的现状和进展
纳米科技研究的飞速发展对纳米测量提出了以下 迫切的更高要求： １.如何评价纳米材料的颗粒度ֽ分布ֽ比表面和微 结构？ ２.如何评价超薄薄膜表面的平整度和起伏？ ３.如何测量纳米尺度的多层膜的单层厚度？ ４.如何评价纳米器件？ 这些都是摆在纳米测量科学面前的重要课题。
绪论 第一章 纳米结构单元
第二章 纳米微粒的基本理论
第三章 纳米微粒的结构与物理特性
纳米微粒 纳 米 材 料 和 纳 米 结 构 第四章 纳米微粒的化学特性 第五章 纳米微粒的制备与表面修饰 第六章 纳米微粒尺寸的评估 第十二章 纳米结构 纳米固体材料
第八章 纳米固体材料的微结构
第九章 纳米固体材料的性能 第七章 纳米固体及其制备 纳米复合材料
显微分析技术
电子显微技术 低能电子与离子投影显微技术 电子全息摄影术 Ｘ射线显微技术
电子显微技术包括透射电子显微镜和扫描透射电子显 微镜。 目前透射电镜的分辨率几乎达到了0.2nm的水平。 高压高分辨电镜分辨率已接近0.1nm，完全可以用来分 析纳米材料的微结构。 纳米丝ֽ纳米管ֽ纳米棒等特种纳米材料的最终确定主 要靠电子显微镜，因而它在纳米测量中占有重要地位。 电子显微术与其它微束分析相配合的综合技术是当 前纳米测量追求的目标。 下表列出了透射显微技术的主要指标和水平：
扫描探针技术
隧道扫描显微技术(STM)
原子力显微技术（AFM）
光学近场扫描显微技术 其它扫描探针工艺
隧道扫描显微镜（STM）
1981年由宾尼和罗拉尔发明，利用细微的针尖逼近分析表面，然后 针尖就会和分析表面间产生电子隧穿效应，从而可使纵向分辨率提高到 0.01nm，可清楚的观察到原子。这种设备不但可以应用于超高真空里 (UHV-STM),而且可应用于大气环境里(大气STM技术)和液体状态下(电解 质STM技术)。10多年来，已经开发出相关的设备，如原子力显微仪器和 磁力显微仪器。在不久的将来，隧道扫描技术也可以应用于印刷技术中， 还可用于制造极高密度存储元件。
这些纳米测量技术都经过对常规测量仪器进行改 造并适当地组合而成。
对纳米微粒颗粒度、形貌、比表面和结构的 分析技术，目前日趋成熟．20世纪90年代以来 已有作为商品出售的仪器，主要分析技术和手 段有透射电子显微镜(TEM)和高分辨显微镜 (HREM)、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微 镜(AFM)． 高分辨扫描电子显微镜(HRSEM)用于颗粒度 和其分布分析，分析手段还有x光衍射仪(XRD)、 拉曼谱仪(RS)、穆斯堡尔谱仪、比表面测试仪、 Zeta电位仪以及建立在动态光散射和悬浮液中 纳米微粒沉降基础上发展起来的纳米粒子粒径 分布仪等已得到普遍应用．
PHI-5702型 X射线光电子能谱仪
热场发射扫描俄歇微探针仪。
Rigaku D/max 2500v/pc 型X射线衍射仪
质谱分析技术
二次离子质谱分析法(SIMS) 二次中子质谱分析法(SNMS) 激光显微质谱分析法(LAMMA)
SIMS技术的优点是检测灵敏度高(在百万分之一至十亿 分之二范围)，横向分辨率高达100~200nm(在特殊情形下 可更小)。 SNMS技术应用于商用设备时，它的横向分辨率为 100nm，但在个别情况下可达到10nm。 LAMMA技术的工艺通过激光照射将物体表面的粒子剥 离下来，再用质谱分析表面成分，因此它在确定物体表面 成分方面也是一种有用的工具，并且其在纳米测量的工业 化应用方面有着广泛应用前景。 下表是几种最广泛的用于表面成分分析的纳米测量技 术的数据：
第二节
纳米测试技术的展望
当前，纳米科技作为21世纪信息革命的核心，普遍受到
世界各国的重视，发达国家如美国、日本和西欧纷纷制定
纳米科技的战略规划，纳米测量是其中的重要组成部分。 下面仅就纳米测量技术未来的发展目标、纳米测量仪器 的水平进行概括地介绍。
纳 米 测 量 技 术
超薄层面及横向纳米结构的分析 电子与光子束分析技术
JSM-5600LV扫描电子显微镜
低能电子与离子投影技术中， 由于磁场的作用使分辨率达到10nm。 当用离子显微技术摄像时，其分辨 率可达到压微米(100nm~1000nm)的 尺寸范围。
X射线显微技术
用X射线进行显微摄像的原理是利用了光学显微 技术的优势，并且在纳米尺寸范围内具有很高的横 向分辨率。 国际上当前显微技术应用于工业产品的纳米测量， 注意力主要集中在生物细胞成像。 下表列出了X射线显微技术的操作性能指标．
STM的基本原理： 基于量子隧道效应。在压电材料制成的支架上装有极细的金属探针， 电压控制探针作高精度的移动，当探针靠近待观察材料的表面时，双方原 子外层的电子云略有重叠。这时候在针尖和材料之间施加一小电压．便会 引起隧道效应——电子在针间和材料之间流动。由于隧道电流(纳安级)随 距离而剧烈变化，让针尖在同一高度扫描材料表面，表面那些“凸凹不平” 的原子所造成的电流变化，通过计算机处理，便能在显示屏上看到材料表 面三维的原子结构图。STM具有空前的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向 可达0.01nm)，它能直接观察到物质表面的原子结构图，从而把人们带到 了微观世界。
２.对常规技术进行改造，使它们能适应 纳米测量的需要。
传统的分析技术(包括离子束、光子束、电子束)在纳
米测量中有一定的局限性，横向分辨率和纵向分辨率都
需进一步地改进． 下图示出了各种微束分析手段适用的范围．
从上图不难看出，位于左上方的分析手段完全适 合纳米尺度的测量，这包括原子探针场离子显微镜 (APFIM)、扫描电子显微镜／俄歇电子谱仪 (SEM/AES)、二次离子质谱仪(SIMS)、激光微探针质 谱仪(LMMS)、分析电子显微镜(AEM)ֽ电子衍射谱仪 (EDS)ֽ电子能量损失谱仪(EELS)ֽ扫描电子显微镜／ 电子探针x射线微区分析(SEM/EP—MA)、近场扫描光 学显微镜(NSOM)、紫外/可见光荧光谱仪(UV／VFM)ֽ微拉曼谱仪(µRS)ֽ傅里叶变换红外谱仪(FTIR)。
质谱分析技术
显微分析技术 扫描探针技术 纳米表面的测量技术
超薄层面及横向纳米结构的分析
超薄薄膜在未来的纳米器件中占有重要的地位，对横向纳米结构进行定量化分 析在纳米技术领域占有突出的地位． 在纳米技术中有一种新的分析技术，它是以扫描隧道电子显微镜(STEM)为基础 衍生出来的新技术，它不但可作为“纳米工具”用于层面的专门修整，也可以作为 纳米分析工艺，因此它同时可以确定原子和亚微米尺寸范围的层面结构的几何排列 和电子排列形式． 总之，此项分析技术的研究在未来应着眼于以下几个方面； (1)应用低能电子和离子源进行显微分析； (2)对陶瓷表面、聚合物薄膜以及纳米成分薄膜进行分析； (3)对常规微束分析进行改造，与扫描探针显微镜(SPM)组装到一起用于纳米测量; (4）对分析结果做到定量化，这是扫描探针显微镜(SPM)系列衍生技术中追求的目 标; (5）在加工过程中对纳米元件进行原位测量； (6) 利用显微电子成像技术对超光滑表面纳米尺度起伏进行客观评价，如反射电 子显微束可以测量小于1nm的台阶； (7) 纳米精度的定位和控制．