2012201097-纳米测量技术研究进展综述.doc-天津大学研究生e.doc

纳米测量技术研究进展综述 魏聚周 天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2012级硕士生 摘要：纳米测量技术的发展在纳米技术中处于举足轻重的地位，本文重在列举了几种纳米测量技术，对它们的测量原理进行了阐述。最后对纳米测量技术的发展趋势进行简单的总结和展望 关键词：纳米测量技术 干涉仪 STM AFM 0 前言* 纳米技术被认为是21世纪重要的科学技术，通常指纳米级的材料、设计、制造、测量和控制技术，它涉及到机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。微米和纳米是长度单位，我们常说的纳米尺度是指0.1~100nm。当物质的尺寸达到纳米尺度时，这些物质会表现出不同于宏观物质的奇特性质和新的现象和规律。比如金属不导电，陶瓷摔不破，一根直径几个纳米的碳纳米管的强度是钢的100倍，而密度却是其1/6，而且量子效应、波动特性、微观涨落等也不能被忽略，甚至变成主导因素。这些奇特性质和新现象的发现自然离不开纳米测量技术的发展。 作为纳米技术的重要组成部分，纳米测量技术的发展对于微纳米材料的发展、微纳米器件的和系统的研究与开发具有十分重要的意义。 1 纳米测量技术发展现状 近几十年，纳米技术的发展受到各个国家的越来越多的重视。然而纳米技术的发展离不开纳米测量技术。目前，纳米测量技术的种类主要有以下几种：扫描探针显微技术、光外差干涉技术，X 射线干涉显微技术和基于F-D 标准器具的测微技术等等。但总的来说分为两大类: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。 下面就典型纳米测量技术给以介绍。 1.1 扫描隧道显微测量（STM） 图1 STM工作原理示意图 把原子尺度的探针和被研究的试件作为两个电极，当两电极之间距离缩小到1nm时，由于粒子的波动性，电流会在外加电场作用下，穿过两极间的绝缘层，从一个电极流向另一个电极，即产生隧道电流。由于探针电极非常尖锐，故会产生相当规模的电流，该电流足以被检出，并经过一系列的信息处理和变换，就可以得到试件纳米级三维表面形貌。STM有两种测量模式，即等高测量模式和恒定电流测量模式。在等高测量模式中探针以不变高度扫描试件表面，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。恒定电流测量模式中的探针在反馈电路的驱动下紧贴着试件表面，从而由探针的移动就可得出试件的表面形貌。 STM横向分辨率为0.1nm,纵向分辨率可达到0.01nm，可以分辨出单个原子。是目前世界上分辨率最高的显微镜，其发明者宾尼和罗雷尔也获得了1986年的诺贝尔物理学奖。但是STM只适用于具有导电性质的物体，即导体和半导体，这在一定程度上限制了STM的使用范围。 1.2 原子力显微镜（AFM）AFM在原理上与STM类似。它包括接触式测量和非接触式测量两种模式。图2所示的是非接触式测量的工作原理图。 图2 AFM测量原理图AFM探针的位移。如果安装的是ATM探针，则要采用恒定电流测量模式，STM探针和AFM探针同步位移，就可测出试件表面形貌。目前商用AFM仪器的做法是将一束半导体激光打到微悬臂上，由光电检测器接收反射回来的光束通过光束位置的偏转来反映微悬臂与样品间相互作用力的大小。 AFM接触式测量模式的分辨率高，目前采用较多。其工作原理是：保持探针与被测表面间原子排斥力恒定，探针扫描时的垂直位移即反应被测物体的形貌。 AFM不但拥有原子级的空间分辨本领，而且还不受样品导电性和测试环境等因素的控制。所以其比STM拥有更为广泛的适用范围。 外差干涉仪 外差干涉仪最大的特点是在保证测量精度的前提下可以实现很大的范围测量，是应用最为广泛的干涉仪，例如在美国NIST 的分子测量机中使用的就是外差干涉仪的形式。而且目前市场上已经有分辨率达到纳米量级的商业干涉仪问世，例如美国HP公司利用塞曼效应产生的双频激光器开发出的干涉仪系列产品，分辨率小于1nm 的商业干涉仪也正在研究改进当中。另外，美国国家标准技术局(NIST) 研制的分子测量机中就采用了外差干涉仪加上光学倍频和电子细分相结合的激光干涉仪方案，测量精度为 0.1nm。 外差干涉仪是对基本的迈克尔逊干涉仪的改进,它使用了频差在几兆到几千兆赫兹的两个频率的光波作为干涉仪的光源。两个频率的光波可以由双波长激光器得到，也可以利用声光调制器、电光调制等频移器件移动激光器的输出光频来实现。如图3所示，干涉仪光源发出的光束经分光镜BS后，分出两束光。一束光经声光调制器AO1后频率变为f1，再经立方棱镜并又经M2反射到试件表面作为参数光束；另一束光经声光解调器AO2后频率变为f2，再经立方棱镜CP2后，有反射镜M3反射后经L2和L3组成的显微物镜聚焦后，照射到表面作为测量光针。 f1光经CP