第十三章纳米测量学

《第十三章纳米测量学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、纳米测量学背景：纳米技术是二十世纪八十年代发展起来的新兴技术，被誉为二十一世纪信息革命的核心，二十一世纪的产业革命。纳米材料的制备时纳米研究和应用的前提，而对纳米材料的测量又是纳米研究和应用的关键。因此纳米科技的出现和发展离不开纳米测量技术。现在纳米级测量技术主要有两个发展方向：光干涉测量技术、扫描显微测量技术。二十世纪末，由于压电转控器的出现，使机械探针的定位性增强。特别是随着STM和AFM的发明，相继出现了纳米分析、纳米测量和纳米探针等多种表征技术，使纳米的测量技术有了飞跃的发展。主要内容:一、纳米测量的研究现状二、纳米测量仪器三、纳米材料的表征与测试四、纳米测量技术发展前景一、纳米

2、测量的研究现状1、概念测量技术是指物质结构与性质及其应用的有关分析、测试方法，有时也包括测试、测量工具的研究与制造。纳米材料的表征与测试主要包括：纳米材料的粒度分析、形貌分析、成分分析、结构分析、表面与界面分析等。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。2、纳米测量技术研究现状：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

3、描隧道显微镜；美国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10μm、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验室成功研制了原子级分辨率的

4、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。到目前为止，国内外发展的纳米测量方法种类很多，主要分两大类：1.以扫描探针显微术（SPM）为代表的非光学测量方法；2.以各种激光干涉仪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。二、纳米测量仪器1、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。非光学测

5、量方法的代表是扫描隧道显微镜（STM）,原子力显微镜（AFM）,电子显微镜（TEM和SEM），俄歇电子能谱等。a.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。STM仪器结构压

6、电陶瓷计算机控制样品监视器PI反馈针尖STM结构示意图扫描隧道显微镜（STM）操作：以极细的探针（针尖达到原子尺度）为一极，以待研究的表面为另一极，当探针与样品表面间的距离达到1nm以内，在两极之间施加一电压，那么在这个外加电场的作用下，电子就会穿过两个电极之间的绝缘层而流向另一电极，形成隧道电流。通过电子反馈电路使隧道电流保持恒定，并采用压电陶瓷材料控制探针沿样品表面扫描，这样探针在垂直于样品表面方向上的高低变化就反应出样品表面的形貌分布和原子排列的状况。其他表面微观分析技术相比，STM具有一系列独特的优点：1.原子量级的极高分辨率，能够分辨出单个原子，可以直接观测到单原子层表面的局部

7、结构。2.能够实时的给出表面的三维图像，可以测量具有周期性或不具备周期性的表面结构。3.可在不同环境条件下工作，适用于研究环境因素对样品表面的影响。4.可以研究纳米薄膜的分子结构。缺点主要表现在：STM是通过隧道电流的作用设计的，仅能用于导体和半导体的表面形貌测量。STM作为具有原子级空间分辨率的显微技术，可以测量单个分子、单个纳米颗粒、单根纳米线和纳米管等的电学、力学以及化学特性，从而催生了单分子科学这个新的研究领域，也有力的促进