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。
总括国内外的纳米测量方法, 可以分为两大类: 一类是非光学方法: 扫描探针显微术、电子显微术、 电容电感测微法, 另一类是光学方法: 激光干涉仪、 X 光干涉仪、光学光栅和光频率跟踪等。
它们的单项参数( 分辨率、精度、测量范围) 可达到的指标分别如下表所示。
纳米测量技术-非光学测量方法
任何一套纳米测量系统一般都由纳米传感系统、 三维（或二维）扫描工作台及其测量控制系统（即 扫描测试系统）和信息处理及图像分析技术等三部 分组成。
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。
纳米测量技术
纳米技术
纳米技术是21世纪最重要的科学技术之一； 它将引起一场新的工业革命。
纳米技术是包括纳米电子、纳米材料、纳米 生物、纳米机械、纳米制造、纳米测量、纳米物理、 纳米化学等诸多科学技术在内的一组技术的集合, 其目的是研究、发展和加工结构尺寸小于100nm 的 材料、装置和系统, 以获得具有所需功能和性能的 产品。科技发达国家为抢占这一高新技术生长点、 制高点, 竞相将纳米技术列为21世纪战略性基础研 究的优先项目。
典型的例子有1982年发明的扫描隧道显微镜；美 国加利福尼亚大学利用光杠杆实现的原子力显微 镜首次获得了原子级分辨率的表面图。日本研制 的具有亚纳米级测量分辨率的激光外差干涉仪。 英国国家物理实验室(NPL)研制的微形貌纳米测量 仪器的测量范围是0.01-3nm。
我国对纳米测量技术的研究也相当重视,并取 得了一些显著成绩。清华大学研制成功亚纳米级分 辨率的激光双波长干涉仪；中国科学院北京电子显 微镜实验室成功研制了原子级分辨率的原子力显微 镜；中国计量科学研究院研制了用于微位移测量标 准的法-珀干涉仪；天津大学研制了双法-珀干涉型 光纤微位移传感器；中国科学院化学所对扫描探针 显微术进行了一系列的科学研究。
双频激光干涉仪-原理
主要利用塞曼效应效应和声光调制方法实现双 频激光。采用外差干涉的原理，克服了普通单频激 光器直流信号漂移的缺点，具有噪声小，抗干扰能 力强等优点。但光学结构比较复杂，成本比较高。
双频激光干Leabharlann Baidu仪结构示意图
双频激光在双频激光干涉仪的测量光路中存在模式间 耦合现象，为了克服这种现象又发展了超外差干涉仪方案， 抑制了模式耦合误差；另外，这种干涉仪在工业中进行纳 米测量的主要问题是如何解决抗干扰、消除空气流动、温 度漂移等一些环境问题。良好控制环境下能够达到很高准 确度。因此，发展趋势就是超外差、共光路、用光纤简化 光路等。
非光学测量方法代表有扫描隧道显微镜 （STM）,原子力显微镜（AFM）,电子显微镜（TEM 和SEM），俄歇电子能谱等。
扫描隧道显微镜（STM）-工作原理
在经典力学中，当势垒的高度比粒子的能量 大时，粒子是无法越过势垒的，而根据量子力学 原理，粒子可能会穿过势垒而出现在另一侧，这 种现象称之为隧道效应。STM就是基于量子隧道效 应制成的。以金属针尖为一电极，被测固体样品 为另一电极，当它们之间的距离小到1nm左右时， 会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒 到达另一电极形成电流。隧道电流对于间距的变 化非常敏感，可以通过测量电流的变化来反映表 面上原子尺度的起伏，这就是STM的基本工作原理。
鉴于纳米测量技术的重要地位, 国外, 特别是美、 日、欧等国家均投入了相当大的人力和物力予以 重点支持。1999年12月，美国国家科学技术委员 会指出：“微纳米科学和工程将在未来的10～20 年内成为一种战略性、占主导地位的技术，德国 将微纳米技术和微系统技术列入国家高科技重点 发展领域
纳米测量技术的时代背景
纳米测量技术
纳米测量技术是纳米技术的重要组成部分， 它对于纳米材料的发展，纳米器件和系统的研究与 开发具有十分重要的意义。 纳米测量技术的内涵涉及纳米尺度的评价、 成份、微细结构和物性的纳米尺度的测量，它是在 纳米尺度上研究材料和器件的结构与性能、发现新 现象、发展新方法、创造新技术的基础。 纳米技术主要研究微观尺度的物体和现象， 同时微纳米检测技术也主要指微米和纳米尺度和精 度的检测技术。与广义的测量技术相比，纳米测量 技术具有被测量的尺度小以及以非接触测量手段为 主等主要特点。
光子扫描隧道显微镜
脂质子光子扫描显微镜下的图像
扫描近场光学显微镜（SNOM）
SNOM的显著特点是突破光学衍射极限的限 制，可以得到高分辨率的光学图像。
近场光学显微镜（SNOM）是建立在对隐失波的探 测的基础上，利用光学隧道效应，完成对样品纳米 级精细结构的探测。
扫描隧道显微镜（STM）-结构
压电陶瓷
计算机控制 PI反馈
针尖
样品
监视器
STM结构示意图
扫描隧道显微镜（STM）
纳米测量技术-光学测量方法
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。
在光学纳米测量方法中，主要为激光干涉的方 法，它采用光程倍频和锁相放大等技术，在很大程 度上提高了干涉仪的分辨力和准确度。理论上，各 种激光干涉仪都能达到纳米尺度的测量，但实际上 均受一些条件所限。因此，研究各种干涉仪及其相 关的测量原理就先得很有必要。