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1、纳米测量技术的研究及扫描隧道显微镜技术摘要 纳米测量技术是纳米科学技术的基础学科之一。纳米科学技术的快速发展,不但给纳米测量技术提出了挑战,同时也给纳米测量技术提供了全新发展的机遇。综述了国内外纳米测量技术发展的现状,重点讨论了纳米材料、纳米电子学和纳米生物学等领域所涉及的纳米测量与性能表征的难题和挑战,论述了纳米科技成果给纳米测量技术带来的发展机遇,对纳米测量技术的发展方向做了展望。最后介绍了扫描隧道显微镜的发展历程以及扫描隧道显微镜的工作原理和系统结构。关键词纳米科学技术 纳米测量 纳米材料扫描隧道显微镜1、引 言纳米技术作为当前发展最迅速
2、、研究最广泛、投入最多的科学技术之一,被誉为21世纪的科学,并且和生物工程一起被认为是未来科技的两大重要前沿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,投入了大量的人力、物力和财力纳米技术对许多工业领域已经开始具有非常关键的作用。它不仅将为许多技术难题提供新的解决方案和
3、思路,而且会进一步提高人们的生活水平,并有可能在很大程度上改变人们的生活方式。从纳米精度上的机械零件的加工和装配、电子器件的生产制造、扫描探针显微镜(SPM,ScanningProbeMicroscope)的发展、微型机电系统(MEMS,MicroElectroMechanicalSystems)的制造,到纳米结构材料的加工和生物医学系统的制造等,纳米技术正在得到广泛的发展和应用。122、纳米测量技术现状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。典型的例子有1982年发明的扫描隧道显微镜;美
4、国California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像；美国国家标准与技术研究院(NIST)研制的分子测量机。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;Warwick大学研制出测量范围在10Lm、nm精度的X光干涉仪。德国联邦物理技术研究院(PTB)进行了一系列称为1nm级尺寸精度的科研项目。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
5、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。概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。总结现有各种纳米测量方法,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表1所示。表1各种纳米测量方法的比较123、纳米测量技术面对的挑战现有各种纳米测量方法和仪器的
6、不断涌现,为从事纳米科学技术研究提供了理论依据和有效手段,但是纳米科学技术研究的快速发展对纳米测量技术提出了迫切的要求。作者主要对纳米材料、纳米电子学和纳米生物学等纳米科技领域中面对的挑战和难点进行论述。3.1、纳米材料的测量与性能表征纳米材料的测量与性能表征涉及两个方面的研究内容:一是纳米材料的尺度测量;二是由尺度效应而导致的纳米材料的性能表征。纳米材料尺度的测量包括:纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构的测量,纳米线、纳米管等直径、长度以及端面结构的测量和纳米薄膜厚度、纳米尺度的多层膜的单层厚度的测量等。适合纳米材料尺度测量与性
7、能表征的仪器主要有:电子显微镜、场离子显微镜、扫描探测显微镜、X光衍射仪和激光粒径仪等。现有纳米测量方法往往测量大面积或大量的纳米材料以表征纳米材料的单一尺度和性能,所得的测量结果是整个样品的平均值,因此,单个纳米颗粒、单根纳米管的奇异特性就被掩盖了。对现有的纳米测量方法来说,表征单一纳米颗粒、纳米管、纳米纤维的尺度和性能是一个难题和挑战。首先,因为它们的尺寸相当小,单一纳米颗粒、纳米管的固定和夹持无法用大尺寸的固定和夹持技术来实现。其次,纳米结构的小尺寸使得手工操纵相当困难,需要有一种针对单一纳米结构设计的专门操纵技术来进行操作。因此,为了准
8、确测量单一纳米结构的尺度和性能,开发新的纳米测量方法和手段是十分必要的。另外,现有纳米测量方法仅局限于对纳米材料外观或表面尺度的测量,而无法实现对纳米
