纳米级位移测量技术综述

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1、纳米级位移测量技术综述第13卷第3期 2O0O年9月 盐城工学院 JommlY衄山既瑶hsT Vd.13N0.3 Seo.2000 纳米级位移测量技术综述 杨晓红,杨圣2 (1.盐城工学院机械工程系,江苏盐城22a~;2.南京航空航天大学506教研室,江苏南京21oo16) 摘要:综述了当今国内外纳米级位移测量技术的研究状况和最新成果,重点介绍其工作原 理和性能.探讨了纳米级位移测量的关键技术,并展望纳米级位移测量技术的发展方向及在 超精,微细加工领域的应用前景. 关键词:精密测量;超精密测量;纳米级测量;位移测量 分类号:TGS06文献标识码:A文章编号:1008—5

2、092(2000)03—0OO5—06 随着精密,超精密及微细加工技术的迅猛发 展,零件尺寸的下界越来越小,加工精度要求越来 越高.超精密加工和微细加工之间有许多相似之 处,如它们都需要达到极微细的位移精度.而测 量是对加工的支持,无论多么精密的加工,都必须 用更为精密的测量技术作保障.因此在超精密加 工中,作为超精加工的重要基础,位移量的精密测 量,超精密测量将成为整个加工体系中一项至为 关键的技术. 目前,超精加工和超微加工在国际上已进入 了纳米技术的新时代,对微小位移量及微小物体 几何形状测量的要求已不再局限于微米,亚微米 量级,而是达到了纳米,亚纳米量级.传统的

3、机械 法,光学法,电学法,气动法等,一般设计时只考虑 微米级测量的需要,不加改进,已很难适应纳米级 测量的需要.另一方面,现代精密加工要求位移 测量技术能在比较宽的量程上有极高的分辨率和 很高的精度,迅速研究开发全新的纳米级位移测 量技术已成为众多尖端科技的迫切要求. 纳米级位移测量技术至今尚没有明确的定 义.经过研究,我们认为测量精度在0.1—100nm (1m=10一m)之间的位移测量技术统称为纳米 级位移测量技术. 在20世纪内,由于超精加工的迫切需求,人 们已花了很大的力气在这方面做了大量的工作. 另外也由于在测量中,位移测量技术的每一进展, 都将推动其它测量技

4、术的提高.故人们将研究的 重点首先放在了这一分支.在纳米尺度内,位移 测量技术与其传统的技术相比,其性质将会发生 根本而彻底的变化.纳米级位移测量技术的研究 与进展,将确保超精加工的精度极限得以实现. 1纳米级位移测量技术 纵观当今国内外的研究状况和最新成果,纳 米级位移测量技术可以分为三大类,一是显微镜 技术,二是光学测量技术,三是电学测量技术.其 中,光学测量技术的发展最为引人注目.因为,实 现纳米测量首先必须建立纳米精度尺度测量基 准,常用的高精度标准尺度主要是光学尺度. 1.1显微镜技术 1.1.1扫描隧道显微镜(SIM) 1981年,国际商用机器公司(删)苏黎

5、世实 验室的Binnig和Roh~r发明了扫描隧道显微镜 (sc咄TunnelingMicroscope,sm),并首次得到 了硅晶体表面清晰的原子图像,这一发明于1986 年获诺贝尔物理学奖. 扫描隧道显微镜(STM)的原理是应用量子理 论中的隧道效应….即对于总能量E低于势垒 的粒子,按照经典的概念,它们只能在<0的 范围内运动,不可能进入>0的区域.对于如 ?收稿日期:2000—02—24 基金项目:国家自然科学基金资助项目(59~m08) 作者简介:杨晓红(196),女,江苏东台市人,盐城工学院实验师. ?6?盐城工学院第l3卷 图1所示的势垒,势

6、能U=Uo的区域有一定的宽 度.总能量E<Uo原来在<0区域的粒子,经 典力学认为它是不能越过U=的高势垒的. 但是量子力学指出,即使在这种情况下,粒子的波 函数()在势垒外侧也有一定的值,表示原来 在<0区域的粒子也有可能出现在势垒外侧. 这种现象,形象地被称为隧道效应. u U=Uo r,r U U=0U=0 D0 图1一定宽度的势垒 №.1C鼬widlhpomStelhier STM的特点是不用光源也不用透镜,它的显 微部件是枚细而尖的金属探针.将原子线度的极 细探针和被研究物质的表面作为两个电极,当样 品与针尖的距离非常接近时(通常小于1衄

7、),在 外加电场(2脚一2v)的作用下,电子会穿过两个 电极之间的势垒流向另一电极,形成隧道电流. 隧道电流与电极间的间隙成负指数关系,即隧道 电流对针尖与表面间的距离极端敏感.例如,距 离改变一个原子的直径(如零点几个纳米),隧道 电流会改变1000倍.由隧道电流随距离变化的 特性,可测出探针与样品间的距离变化,从而判断 位移大小的范围是否在预设的范围内[2]. 1.1.2原子力显微镜(A瑚) 基于这种表面效应测量技术的仪器还有原子 力显微镜(AtccaicForceMicroscope,删),其原理 是利用物质表面间的原子间力效应.可