纳米测量学与纳米探测技术

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1、第十五章纳米测量学与纳米探测技术纳米测量学是纳米科技完整体系中的一个重要分支学科，其内涵涉及纳米尺度的评价，成份、微结构和物性的纳米尺度测量等。一、现状和展望二、扫描探针显微分析技术(SPM：ScanningProbeMicroscopes)一、现状和展望1.纳米测量学面临的任务如何评价纳米材料的颗粒度及分布、比表面和微结构？如何评价超薄薄膜表面的平整度和起伏？如何测量纳米尺度的多层膜中单层膜的厚度？如何评价纳米器件？等等2.纳米测量学发展的途径(1)创造新的纳米测量技术，建立新原理、新方法。纳米科技发展与1981年Binnig和Rohrer研制成功STM有很大关系。以STM为基础，人类可在

2、纳米级乃至原子级水平上研究物质表面原子、分子的几何结构及与电子行为相关的物理、化学性质，并已发展了一些微细加工技术和相关的学科。如“针尖化学”：研究在STM的针尖上单个原子和分子是如何反应的。是纳米测量的核心技术，它的诞生促进了纳米科技的飞速发展。(2)对常规技术进行改造，使之适应纳米测量的需要。(离子束、光子束、电子束三束微束分析手段)　　提高它们的横向、纵向分辨率电子显微技术TEM：电子束Þ可见光；磁场Þ透镜。TEM、STEM：达0.2-0.1nm的分辨率（电子能量高达400keV以上，电子的波长短）U(kV)100200300400500l(Å)0.03700.02510.01970.

3、01640.0142电子束波长比光波波长小几百倍，使TEM的分辨率大大提高。随着计算机技术的发展，其放大倍数已超过一千万倍。3．纳米测量技术的展望(1)超薄膜及横向纳米结构的分析技术基于SPM技术，既可作为“眼”(纳米分析工艺)，确定原子和亚微米尺寸范围内的层面的几何排列和电子排列；又可作为“手”(纳米加工工具)，用于层面的修整（移动原子等）。其未来的发展应着眼于：i)探针多样化：电子、离子等微束与SPM结合。ii)对新型材料表面（陶瓷、聚合物膜、纳米成份膜）和超光滑表面进行分析，分析结果定量化。iii)纳米粒度的定位、加工和（原位）控制。(2)电子与光子束分析（能谱分析）技术i)Auger

4、电子能谱(AES)、X射线光电子能谱(XPS)ØAES：表面显微分析、深度剖面分析(溅射剥层)ØXPS：表面化学成分分析、表面电子态(化学键)分析ii)能量(波长)扩展X-ray分析法EDX(WDX)Energy(Wavelength)DispersiveX-rayAnalysis纳米微区的化学成份和价电子结构信息、电子结构（物相分析）还有紫外光电子谱UPS、电子能量损失谱EELS，等(3)质谱分析技术Ø二次离子质谱SIMS：灵敏度高(百万分之一到十亿分之一之间)、横向分辨率高达100-200nmØ二次中性质谱SNMS：横向分辨率达100-10nmØ激光显微质谱分析法LAMMA：用于纳米测量

5、的工业化应用（激光剥离+质谱分析）(4)显微分析技术i)电子显微技术ØTEM(Tunnelingelectronmicroscopy)、STEM：达0.2-0.1nm的分辨率（能量高达400keV以上，电子的波长小）ØSEM(Scanningelectronmicroscopy)ii)X射线显微技术：不需高真空，可用于生物样品iii)光电子散射显微技术PEEM：表面电子散射成像低能电子显微法LEEM：表面上二次电子、电子反射、散射成像(5)纳米表面（粗糙度）测量技术：(已达0.01nm)Ø机械法：超高精度画针测量技术、STM、AFM等Ø干涉法：各类激光干涉测量仪二、扫描探针显微分析技术1.S

6、canningTunnelingMicroscope(STM)1981年，美国IBM公司在瑞士的苏黎世实验室的G.Binnig和H.Rohrer博士发明了STM，1986年即获得Noble物理奖。[G.Binnig,H.Rohrer,C.Gerberetal.,Appl.Phys.Lett.,40(1982),178.](1)工作原理扫描隧道显微镜（STM）是利用量子力学中的隧道效应对样品表面进行分析观察的。?隧道：隧道效应是量子力学中微观粒子所具有的特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度时，电子由于具有波动性而具有一定的穿过势垒的几率。将一个探针（其尖端可制成只有一个原子大小的极细针尖）

7、和被研究物质的表面作为两个电极，当样品与针尖的距离足够接近（通常小于1nm）、以致于针尖与样品表面的电子云有些微重叠时，在探针与样品表面之间加上一定的偏压，就会有一种被称作为隧道电流的电子流流过探针，这种隧道电流的强度对针尖与样品表面之间的距离非常敏感，如果距离减小0.1nm，电流将增加一个数量级。?扫描：在压电材料棒制成的支架上装有极细的金属探针，电压控制探针作高精度的移动。通过控制压电陶瓷驱动探针在物体表