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1、纳米测量技术及应用的发展现状,钱朝阳,纳米技术是二十世纪八十年代发展起来的新兴技术, 1982 年扫描隧道显微镜的发明, 是人类第一次实现了可观察、 测量、 传感物体纳米尺度的位移、 形貌或作用力的理想。 扫描隧道显微镜和原子力显微镜等扫描探针显微技术推动了纳米科学技术的兴起和发展。,随着科学技术的飞速发展, 纳米技术涉及到越来越广泛的内容, 形成了纳米生物学、 纳米化学、 纳米物理学、 纳米材料学、 纳米电子学及纳米测量学等许多学科技术的集合, 在工业、 国防等许多领域都起着巨大作用, 并且会越来越深入地渗透到人们的生活中。纳米测量学在纳米技术中起着举足轻重的作用, 纳米技术的发展离不开纳米
2、测量技术。纳米测量技术的内涵涉及到纳米尺度的评价、 成分、 微结构和物性的纳米尺度测量。,两种纳米测量方法,一.非光学纳米测量方法 这是以扫描探针显微术( SPM )为代表的非光学测量方法，根据扫描隧道显微镜的基本原理, 随后又发展了具有纳米级准确度的扫描探针显微镜, 如原子力显微镜、 激光力显微镜、 磁力显微镜、 静电力显微镜、 扫描电容显微镜、 扫描离子显微技术、 扫描热显微镜、 光子扫描隧道显微镜、 近场光学显微镜等。这些新型的显微镜技术都是利用探针与样品表面不同相互作用来探测表面的纳米尺度上表现出来的物理和化学性质, 被称为扫描探针显微技术。,二.光学纳米测量方法,这是以各种激光干涉仪
3、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。,1.双频激光干涉仪,双频激光干涉仪采用的是外差干涉的原理, 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。 图 1 双频激光干涉仪结构示意图,2. F-P干涉仪测量法,F-P干涉仪的发展已经
4、有 100多年的历史, 由于它利用了多波长干涉原理, 条纹具有很高的锐度,而且干涉条纹对腔长的变化非常敏感, 因此, 在测量中能够达到很高的测量准确度。 图 2 F-P干涉仪结构示意图,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
5、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、 压力不断变化的条件下仍能保持良好的准确度与稳定性。 图 5 光栅干涉仪原理图,纳米测量技术的研究方向,纳米测量技术经过二十多年的研究已经取得突破性进展。随着科技的飞速发展,人类对微观领域的研究与认识愈加深刻, 对
6、纳米测量学提出了更迫切的要求。纳米测量技术面对的每一个挑战和难点都是纳米测量技术今后应重点突破的研究方向。 针对国内纳米测量技术已有基础与现状, 展望未来, 我国纳米测量技术应在以下几个方面予以重点研究:,1. 新型纳米测量原理、 纳米测量方法的研究;2. 新型纳米测量系统的开发、 设计与制造; 3. 纳米级探针的制造技术; 4. 条纹细分、 光程倍增技术、 锁相放大等技术的完善; 5. 干涉、 衍射图像的计算机处理技术; 6. 纳米测量涉及的尺寸定标技术; 7. 解决纳米测量环境因素的影响问题, 如环境温度的影响、外界振动、 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,
