纳米技术

纳米技术学习报告
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首先我对我们学习的纳米技术做一个归纳总结：
1．什么是纳米科技？
纳米科技是指在纳米尺度(0.1nm到l00nm之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)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和技术。

2．纳米测量技术的地位、作用和前景
1)从纳米技术的发展来看, 纳米测量技术的地位和作用是至关重要的。

2)纳米加工和制造都离不开纳米测量。

3)纳米材料质量的检测、控制也与纳米测量息息相关。

4)纳米测量技术和测量装置,不仅是21世纪纳米技术实用过程中必须关注的焦点,而且也
是21世纪计量测试领域研究的重中之重。

随着纳米技术的迅猛发展，纳米测量技术将不断发展，并开拓新原理、新方法和新应用。

3．常见纳米传感器
1)目前的纳米传感器基本上可以分为两大类，一类就是在传统的高精度位移传感器基础上，
通过提高其精度、分辨率而制成的纳米级位移传感器，主要包括电容纳米传感器，电感纳米传感器，电阻应变纳米传感器等。

2)另一类是基于新原理，新概念而发明的新型纳米传感器，也就是我们通常所说的纳米探
针。

4影响纳米测量的因素
纳米计量并不是传统计量技术的简单拓展。

由于纳米尺度接近原子极限，它的测量方法和仪器都有自己的独特性。

1)纳米计量必须提供纳米级甚至亚纳米级测量精度，因此纳米计量涉及并利用了多种学科，
特别是物理学中的某些基本理论和基本现象，如光干涉原理、隧道效应和晶体衍射理论等等；
2)纳米计量必须保证在纳米尺度上有相对稳定的复现性，所以它的测量和校正方法与传统
计量方法既有相似性又有自己的独特性；
3)由于纳米计量实现度量的精度高、难度大，纳米计量仪器的造价和维护费用普遍很高；
4)实现纳米计量往往对环境要求很高，需要严格控制环境湿度、温度和振动等非理想因素，
也就是营造纳米计量环境。

5．电子显微镜的组成
电子显微镜一般由电子光学部分，电气系统和真空系统三大部分组成。

其中电气系统的作用是提供电镜所需的各种电压、电流及完成控制功能。

真空系统用来提供观察样品所需的真空度。

而电子光学部分是电子显微镜的核心部分，下面我们来详细介绍。

6．电子显微镜的关键原理和技术
（1）样品对电子的散射
①原子对电子的散射。

电子是带电粒子，而原子具有电势。

根据波恩近似，入射的电子将会被原子散射，即电子将偏离原来的方向，正因为电子能被原子所散射，所以我们才能用电镜看到原子。

②晶体对电子的散射。

晶体中的原子是安一定的规律周期排列的。

以右图为例，设O和P
为晶体中的两个原子，电子沿方向入射，被O和P散射。

假设电子在入射到晶体前是一平
面波。

散射后由于不同的点散射的波会产生位相差，于是在R处两列有位相差的波相遇就会发生干涉，最终的干涉情况等于不同原子的散射波的叠加。

7．扫描电子显微镜的工作原理
1)在高电压作用下，由电子枪发射的能量为5～35keV的电子，以其交叉斑作为电子源，
经二级聚光镜及物镜的缩小形成具有一定能量、一定束流强度和束斑直径的微细电子束，在扫描线圈驱动下，于试样表面按一定时间、空间顺序作栅网式逐点扫描。

在试样表面，电子束与试样表层物质相互作用，产生背散电子．二次电子等各种信息。

2)二次电子是样品中原子的核外电子在入射电子的激发下离开该原子而形成的，它的能量
比较小(一般小于50ev)，因而在样品中的平均自由程也小，只有在近表面(约十纳米量级)，二次电子才能逸出表面被接收器接收并用于成像。

电子束与样品相互作用涉及的范围成“梨”形。

3)在近表面区域，入射电子与样品的相互作用才刚刚开始，束斑直径还来不及扩展，与原
入射电子束直径比，变化还不大，相互作用发射二次电子的范围小，有利于得到比较高的分辨率。

目前，商品扫描电镜的分辨率已经达到一纳米。

加上扫描电镜的的景深大，因而可以获得高倍率的、立体感强的、直观的显微图像。

这是扫描电镜获得广泛应用的最主要原因。

4)二次电子的产额与样品表面的形状有关，它对应的像类同于人们日常对物体形貌的观察，
所以常常叫做形貌衬度像。

二次电子的产额比较高，有利于提高成像的信噪比。

二次电子信号的上述特点决定了它对应的显微像的种种优越特性，使它得到广泛的应用，成为最主要的成像信号。

探测器将这些信息接收，经放大器放大，送到阴极射线管(显像管)的栅极，调制与入射电子束同步扫描的显像管亮度，得到反映试样表面形貌的二次电子像。

5)扫描电镜的电子束某一瞬间在试样上的位置，与显像管中的电子束同一瞬间在荧光屏上
的位置是完全对应的，因而试样的表面形貌与显像屏上的图像完全对应。

若电子束从试样上某一点激发出的二次电子多，送到显像管栅极的电压值就大，该点就是一亮点，反之为暗点。

6)从这里我们可以看出，扫描电镜的成像原理与透射电镜不同，在透射电镜中，电子束透
过试样，经物镜，中间镜和投影镜聚焦和放大，直接射在荧光屏上成像，在扫描电镜中，透镜将电子束聚焦成非常细的电子束，射在试样表面上,激发出各种物理讯号，由探测器接收，输送到阴极射线管成像。

如果说前者是直接成像的话，后者则是间接成像。

7)扫描电镜的放大倍数，等于电子束在显像管上的扫描宽度与在试样上的扫描宽度的比值。

因为显像屏的尺寸是固定的，所以，要改变放大倍数，必须改变试样上的扫描面积，例如需要增大放大倍数，必须使试样上的扫描面积减小，这是通过改变扫描线圈的电流来实现的。

8)扫描电镜的分辨率，取决于电子束射到试样表面上的直径(束斑直径)和接收的讯号类型。

束斑越小，分辨率越高。

显然，扫描电镜的分辨率不会小于束斑直径。

9)扫描电镜的一个很大优点是，景深大，便于研究粗糙的试样表面，或断口的外貌，景深
是指试样上平行电子束光轴方向的长度，在这个长度范围内，试样上各点的图像均可聚
焦清楚。

景深取决于电子束的发散度，发散度越大，景深越小。

所以，当探针尺寸固定时，放大倍数与电子束的发射角越小，景深越小。

有时为了观察某个形貌特征，需要一定的放大倍数和探针尺寸，此时孔径角是唯一可调的参数，为了增加景深，就要减少孔径角。

10)从提高分辨率看，孔径角越小越好，即选用尽可能小的光栅孔径和大的工作距离。

但是，
这样做的结果导致电子束过细，电流变小，降低了照射强度，激发出的信号很弱，使图像变暗，亮度降低，反而会使分辨率下降。

所以，在实际的工作中要根据研究目的，适当地选择各种参数，以获得最佳的图像。

11)采用六硼化镧（LaB6）阴极和场发射电子枪，可使电子束的亮度提高两个数量级。

因而
可以利用小的控制光栅，获得高的分辨率。

例如，扫描电镜利用钨丝阴极的最佳分辨率为6nm，利用场发射电子枪的分辨率目前已达到2nm，预计还会进一步提高。

(10.11)
8．STM的优势
1)STM作为新型的显微工具与以往的各种显微镜和分析仪器相比有着其明显的优势：（1）具有极高的分辨率。

它可以轻易的“看到”原子，这是一般显微镜甚至电子显微镜所难以达到的。

我们可以用一个比喻来解释STM的分辨本领：假如使用STM把一个原子放大到一个网球大小的尺寸，那么就相当于把一个网球放大到地球那么大。

（2）得到的是实时的、真实的样品表面的高分辨率图象。

而不同于某些分析仪器是通过间接的或计算的方法来推算样品的表面结构。

也就是说，STM是真正看到了原子。

（3）使用环境宽松。

电子显微镜等仪器对工作环境要求比较苛刻，样品必须安放在高真空条件下才能进行测试。

而STM既可以在真空中工作，又可以在大气中、低温、常温、高温，甚至在溶液中使用。

因此STM适用于各种工作环境下的科学实验。

（4）应用领域是宽广的。

无论是物理、化学、生物、医学等基础学科，还是材料、微电子等应用学科都有它的用武之地。

（5）推广成本低。

STM的价格相对于电子显微镜等大型仪器来讲是较低的。

这对于STM的推广是有好处的。

9．AFM的工作原理
如图所示，将一个对微弱力极其敏感的微悬臂的一端与压电陶瓷1固连在一起,另一端有一微小针尖,当针尖与样品表面轻轻接触（即接近至原子级间距），针尖与样品表面原子间存在
极其微弱的排斥力(10-8～10-6N·nm)，通过扫描时控制这种力的恒定，带有针尖的微悬臂将对应于针尖与样品表面的原子间作用力的等势面在垂直于样品表面的方向起伏运动。

在微悬臂针尖的上方有一个STM的装置，利用隧道电流检测法可测得微悬臂对应于各扫描点的位置变化，从而获得样品表面形貌的信息。

从图中可以看到，微悬臂实际上充当了STM的样品，借助它间接而又真实地反映了任意性质材料表面的形貌情况。

由于AFM不需要在针尖与样品间形成回路，突破了STM中样品必须具有导电性的限制，因而有着更加广泛的应用领域。

10.静电力显微镜
1)同磁力显微镜的改进原理类似，让微悬臂的针尖带有电荷，当针尖在样品表面以非接触
模式扫描时，其振动振幅受样品表面电荷静电力的影响，以这种方式来成像的显微镜叫做静电力显微镜(EFM)，它可以测量出10-10N的静电力，用来研究微电子电路在极小尺度上的电特性。

2)EFM同MFM类似，使用带有电荷的探针，也是采用Interleave方法扫描。

由于样品上
方电场梯度的存在，探针与表面电场间的静电力会引起受迫振动的探针的共振频率发生变化，反馈装置根据探针尖端振动情况的变化而改变加在Z轴压电控制装置上的电压，从而使微悬臂共振频率保持恒定，用Z轴驱动电压的变化来表征样品表面电场分布的信息。

3)例如微电子工业中使用的硅片，由于搀杂原子的分布及其浓度对芯片的性能影响很大，
利用EFM可以进行电容测量的特点来观察硅片上搀杂原子的分布就十分有利了。

EFM 现在已广泛应用于半导体器件的分析和设计研究领域中。

11.AFM的应用领域
同扫描隧道显微镜一样，AFM同样既是一种高精度的测量仪器，同时也是一种新型的加工手段，而且，同STM相比，其测量及加工的领域都有所扩展。

12.衍射光栅
1)光栅是一种具有周期性结构，从而能够等宽、等间隔地分割入射波面的光学元件。

2)如图所示．这些来自各平行狭缝的光波是来自同一光源的，因而是相干的．它们形成了
多缝衍射。

3)光栅可以是透射式的，也可以是反射式的，例如在高反射率金属面上刻线，入射光在未
刻的光亮部分反射，各光亮部分的反射光来自同一光源，因此也是相干的，形成类似的多缝衍射。

13.莫尔条纹
莫尔是法语Moire一词的音译词，意思是水波纹或云纹花样的意思。

这是一种日常生活中常见的光学现象。

将两层丝绸重叠在一起并作相对运动时，或观看两层纱窗的相对运动时，就会看到不断变化着的明暗相间的云纹花样图案，技术上称为莫尔条纹。

它与我们讨论过的光的干涉条纹完全不同。

条纹形成原理：
1)遮光阴影理论
2)衍射干涉原理
14.X射线干涉仪
利用X射线衍射效应进行位移测量的设想最初是由Hart等人在1968年提出的。

在实际使用中，单晶硅的晶格尺寸是非常稳定的，美国NIST和德国PTB分别对硅(220)晶体的晶面间距
进行了测量，测量结果如下：
PTB：d＝192015.560士0.012fm
NIST：d＝192015.902士0.019fm
15.X射线干涉纳米测量技术的基本原理
当单色X射线以布拉格角入射到完整的单晶硅晶体上时，根据X射线动力学理论，会有三束出射光（见图8-1）：随着在晶体中传输距离迅速按指数规律衰减的直接入射光；满足布拉格条件的衍射光和由于异常Borrmann效应而出现的前向衍射光
X射线干涉仪就是利用了晶体的这一分束特性。

它是在同一晶块上制作三片互相平行的晶片（见图8－2），分别称为分束器(S)、镜子（M）和分析器（A）。

分析器可以在其平面内相对其它两晶片移动，当单色X射线以布拉格角入射时，经过分束器和镜子分别衍射后的出射光会聚在分析器上，发生第三次衍射。

16.外差式激光干涉纳米测量技术
外差式干涉仪的基本原理是采用频率在2MHz到1000MHz之间的两种激光源，将被测位移量转化为外差信号的频率或相位变化，再将这种变化测量出来。

两个频率光波可以通过声光调制器获得，也可以由双波长激光器、旋转光栅、电光调制等频移器件移动激光输出频率获得。

最后写写自己对纳米技术的感想感想：
通过《纳米检测》这门课，我对纳米技术有了一定的了解，知道纳米技术在未来是非常有前途的。

人类必定将进入一个纳米的时代。

从历史意义上讲，这种“科学的微型化”是必然的。

从很久以前，我们人类就致力于追寻身边物质的本质，从以前的自然科学到几百年前的化学，从分子化学到原子化学，从原子理论到电子理论，人类的研究尺度正一点点地接近物质的“极限”，而只有将物质的每一个细节看得清晰，对每一个最小的粒子的性质了如指掌，我们才能真正了解物质的本质所在，而只有从最微观的角度分析技术、创造技术，我们才能说得上是“物尽其用”，也就是说更大程度地利用了物质从而为我们自己服务。

在当今时代之前，人类同样进行了一个跨时代的飞跃，就是从毫米时代跨入了微米时代，这或许只是研究的一小步，但对我们的生活而言却是实实在在的一大步。