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现代精密测量技术现状及发展

作者：　发布时间：2007-06-24 16:19:07　来源：

    纳米级加工技术可分为加工精度和加工尺度两方面。加工精度由本世纪初的最高精度微米级发展到现有的几个纳米数量级。金刚石车床加工的超精密衍射光栅精度已达1nm，实验室已经可以制作10nm以下的线、柱、槽。
    微/纳米技术的发展，离不开微米级和纳米级的测量技术与设备。具有微米及亚微米测量精度的几何量与表面形貌测量技术已经比较成熟，如HP5528双频激光干涉测量系统（精度10nm）、具有1nm精度的光学触针式轮廓扫描系统等。因为扫描隧道显微镜（STM,Scanning Tunning Microscope）、扫描探针显微镜（SPM，Scanning Probe Microscope）和原子力显微镜（AFM，Atomic Force Microscope）用来直接观测原子尺度结构的实现，使得进行原子级的操作、装配和改形等加工处理成为近几年来的前沿技术。
    2.1 扫描探针显微镜
    1981年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜（STM），把人们带到了微观世界。STM具有极高的空间分辨率（平行和垂直于表面的分辨率分别达到0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子），广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域，在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似的原理与结构，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面纳米尺度上表现出来的性质的扫描探针显微镜（SPM），用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息，成为人类认识微观世界的有力工具。下面为几种具有代表性的扫描探针显微镜。
    （1）原子力显微镜（AFM）
    为了弥补STM只限于观测导体和半导体表面结构的缺陷，Binnig等人发明了AFM，AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运动，通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移，实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测，从而得到表面形貌信息。就应用而言，STM主要用于自然科学研究，而相当数量的AFM已经用于工业技术领域。1988年中国科学院化学所研制成功国内首台具有原子分辨率的AFM。安装有微型光纤传导激光干涉三维测量系统，可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜可使目前纳米测量技术定量化。利用类似AFM的工作原理，检测被测表面特性对受迫振动力敏元件产生的影响，在探针与表面10～100nm距离范围，可以探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作用力，相继开发磁力显微镜（MFM，Magnetic Force Microscope）、静电力显微镜（EFM，Electrostatic Force Microscope）、摩擦力显微镜（LFM，Lateral Force Microscope）等，统称为扫描力显微镜（SFM，Scanning Force Microscope）。
    （2）光子扫描隧道显微镜（PSTM，Photon Scanning Tunning Microscope）
    PSTM的原理和工作方式与STM相似，后者利用电子隧道效应，而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激起的瞬衰场，其强度随距界面的距离成函数关系，获得表面结构信息。

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