第十三章--纳米测量学

纳米技术及其尺度的精密测量纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。

纳米=10^-9 m.1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。

因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。

纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。

这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。

纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。

其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。

根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。

这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。

也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。

这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。

现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。

此外，还有发热和晃动等问题。

为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。

本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。

DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

纳米技术-技术概述1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。

项目名称：纳米测量技术标准的基础研究二、预期目标本项目的总体目标是解决纳米测量技术标准中的关键科学问题，提高相关学科领域基础研究水平，增强我国在纳米技术国际标准制定中的地位，为我国纳米产业在今后5-10年内的国际竞争提供保障。

五年预期目标是：在纳米测量与表征、纳米生物效应、纳米材料等领域获得5-10项国际标准立项及10-20项国家标准，10-20项纳米测量用和功效评价用国家标准物质/标准样品，研制和定值达到国际先进水平，形成纳米结构物性鉴定和功能评价方面的系列准则和标准，发表一批纳米测量技术标准化方面的高水平研究论文。

三、研究方案1）学术思路本项目的总体研究思路是围绕纳米测量技术标准化中的关键科学问题和纳米产业急需的关键技术问题，由基础研究到应用研究，由简单体系到复杂体系，通过溯源计量和标准物质/标准样品提高纳米测量的准确性和可靠性。

本项目测量量值的设置由最基本的尺度测量延伸到物性测量；待测体系则从单一结构跨越到复杂结构和环境；功能特性从单一功能特性向多功能特性发展；研究层次上从纳米物质与简单小分子相互作用、扩展到与复杂大分子到细胞水平相互作用。

在纳米测量技术标准方面的思路是兼顾基本特性（长度测量）和功能特性（光电性质）。

在纳米标准物质/标准样品研制方面的思路是：以特定应用的纳米标准物质/样品为牵引，以涉及的基本科学/技术问题为核心开展研究，最终得到：1)特定合成方法中影响纳米晶体单分散性的关键因素并探索纳米晶尺寸单分散性的控制极限； 2)形成三个层次的标准物质/样品：纳米计量用标准物质、纳米基本物性表征用标准物质/标准样品和纳米功能特性评价用标准样品。

纳米生物安全健康方面的研究思路则以研究纳米结构和各种介质界面的物理化学机制为依托，开展纳米颗粒富集、检测及安全性评价方面的研究。

纳米制造和应用的研究思路以研究纳米材料在复杂环境中的准确可靠测量为基础，形成纳米物性鉴定和性能评价的准则和标准方法2）技术途径在SEM测长方面，利用二次电子图像进行纳米尺度测量，被测物线宽的确定算法是精确测量的关键。

6. 纳米测量光学实验一、 实验目的和内容1． 建立纳米测量的概念，了解其实现方法。

2． 了解微弱振动监测的原理3． 利用笔束激光干涉法进行纳米量级的位移测量。

二、 实验基本原理1．位移的纳米测量方法纳米科学是在纳米（10-9m ）和原子（约10-8m ）的尺度上（1nm ～100nm ）研究物质的特性、物质相互作用以及如何利用这些特性的多学科交叉的前沿科学与技术。

纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。

用于纳米测量的笔束激光干涉仪原理如图1所示：激光器发出的激光，是甚细的准直激光束（称为笔束光），记其波前为U 0。

被分光镜4分为测量光束m I ~和参考光束r I ~。

这两笔束光分别经各自的直角棱镜反射后，被平行地反射回来并再一次到达分光镜4，但此时m I ~与r I ~已不再重合，而是存在一间距2d 。

经过分光镜4后，测量光束与参考光束平行入射至傅立叶变换（FT ）透镜8，并在FT 透镜8的后焦面上发生干涉，形成计量条纹。

干涉条纹被物镜10放大后成像于CMOS11上，通过图像采集卡输入计算机进行数据处理。

在CMOS 上干涉条纹的位移量x fX f =Mf λN/(2d)式中N 为条纹移动数，M 为物镜10的放大倍数，f 为FT 透镜8的焦距，2d 为测量光束与参考光束的空间间距，S 为测量镜的位移量。

从上式中知道，记录干涉条纹移动数，就可得到位移量，而测量的灵敏度完全取决于物镜放大率，FT 透镜的焦距和2d 。

当f 足够大2d 足够小（所以用笔束光的理由），就可以得到纳米量级灵敏度。

而该装置却很简单 2．微弱振动的纳米测量与监视四．振动测量是基于振动物体位移引起测量光波位相的调制，通过与参考光波发生干涉电接收装置将干涉信号转变为电信号，经过适当的电子学处理，求得振幅值。

激光入射光强I 0，经分光镜BS 后，一支光束射向参考镜M 1，光强为I 1，光程长l 1；另一支光束射向贴在振动台面上的测量反射镜M 2，光强为I 2，测量镜静止时光程长l 2。

纳米测量光学实验中山大学 光信一、仪器用具和实验装置图实验用具：激光器、平面反射镜、棱镜反射镜、CMOS 光电接受器、可调光阑、半反射镜、物镜、压电陶瓷及控制电源。

图1 实验装置图二、实验原理1、位移的纳米测量方法目前，能够进行纳米测量的方法主要有：非光学方法和光学方法两大类。

前者以扫描隧道显微镜（STM ）、原子力扫描显微镜等为代表，虽能实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，但这些方法在溯源到米定义的时候，人需要利用激光干涉仪等光学方法进行定标和校正，因此，光学纳米测量方法在世界上倍受重视。

光学纳米测量方法主要有以下几种：频率跟踪法（F-P 干涉仪）；光外差干涉仪；偏振干涉仪；调频干涉仪；光栅干涉仪；笔束激光干涉法等。

纳米测量过程需要建立一个合适的纳米测量环境，以便提高测量精度，减少误差。

需注意以下几点：（1）采用各种减震隔离装置，包括气浮式、电磁式和机械式隔振系统。

一方面减小外界振动对测量系统的影响，另一方面将测量系统的振动固有频率远离振动源的频率。

（2）保持实验室的室温恒定，减少由于光程差随温度变化而带来的误差。

（3）采取措施，减少空气扰动的影响。

故测量时要注意遵循以下的原则：（1）共光路系统原则；（2）补偿原则；（3）减小受影图13.2 公焦实验装置图图13.1 笔束激光干涉仪原理图响的光路的原则；（4）减少杂散光原则；（5）交流调制放大原则。

本实验使用笔束激光干涉法，它是一种经过改良后的光学干涉法，测量精度也可达到纳米量级，其原理图如图2所示：图2 笔束激光干涉仪原理图 激光器发出的是光斑直径甚细的准直激光束，即笔束光，记其相位分布为0U 。

半反射镜将笔束光分为待测光束和参考光束。

这两笔束光分别经待测反射棱镜和参考反射棱镜后，回到半反射镜，由于反射棱镜的关系此时待测与参考光束已不再重合，而是存在一定的间距2d 。

透过半反射镜后，待测光束与参考光束平行入射到成像透镜，并在成像透镜的后焦面上重合发生干涉，形成干涉条纹。

精密测试技术论文纳米测试技术在微电子中的应用姓名：杜翠翠学号：04091055班级：04091102引言纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。

纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。

纳米技术兴起于20世纪80年代，随着它的逐步发展和完善，人类将必然在认识和改造自然方面进入一个前所未有的新阶段关键词：纳米技术，传感器，测试计量，存储技术一、课题研究背景微/纳米技术作为当前发展最迅速，研究广泛、投入最多的科学技术之一，被认为是当前科技发展的重要前沿。

在该科技中，微/纳米的超精密测量技术是代表性的研究领域，也是微/纳米科技得以发展的前提和基础。

在微/纳测量领域，基础问题包括纳米计量、纳米测量系统理论与设计、微观形貌测量等方面，主要研究问题和方向为：基于扫描电子显微镜的精密纳米计量、微纳坐标测量机（分子测量机）、基于干涉的非接触微观形貌测量、基于原子晶格作刻度的X 射线干涉测量及其与光学干涉仪的组合原理、纳米测量系统设计理论和微纳尺寸测量条件的研究等。

涉及的重要工程测量问题有：面向MEMS 和MOEMS 的微尺度测量、面向22 nm～45 nm极大规模集成电路制造的测量等。

无论是集成电路技术，还是微系统技术或纳米技术，其共同的特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围，因此可以统称为微纳米技术。

微纳米技术依赖于微纳米尺度的功能结构与器件。

实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。

在过去50年中，正是微纳米加工技术的发展促进了集成电路的发展，导致集成电路的集成度以每18个月翻一番的速度提高。

现代微纳米加工技术已经能够将上亿只晶体管做在方寸大小的芯片上。

除了集成电路芯片中的晶体管越做越小，微纳米加工技术还可以将普通机械齿轮传动系统微缩到肉眼无法观察的尺寸（如下图2.1所示）。

纳米实验力学中的相关测试技术第一篇：纳米实验力学中的相关测试技术纳米实验力学中的相关测试技术摘要：材料纳观力学特性与纳米材料力学特性的测试是纳米实验力学的基本内容。

本文对纳米硬度技术、纳米云纹技术、扫描力显微镜技术等主要的几种纳米实验力学测试技术进行介绍，了解纳米力学实验技术的发展。

关键词纳米实验力学测试技术引言纳米力学从研究的手段上可分为纳观计算力学和纳米实验力学。

纳米计算力学包括量子力学计算方法、分子动力学计算和跨层次计算等不同类型的数值模拟方法。

纳米实验力学则有两层含义：一是以纳米层次的分辨率来测量力学场，即所谓的材料纳观实验力学；二是对特征尺度为1-100nm之间的微细结构进行的实验力学研究，即所谓的纳米材料实验力学。

纳米实验力学研究有两种途径：一是对常规的硬度测试技术、云纹法等宏观力学测试技术进行改造，使它们能适应纳米力学测量的需要；另一类是创造如原子力显微镜、摩擦力显微镜等新的纳米力学测量技术建立新原理、新方法。

本文中主要对当今几种主要材料纳观力学与纳米材料力学特性测试方法：纳米硬度技术、纳米云纹技术、扫描力显微镜技术等进行概述。

一、纳米硬度技术随着现代材料表面工程、微电子、集成微光机电系统、生物和医学材料的发展试样本身或表面改性层厚度越来越小。

传统的硬度测量已无法满足新材料研究的需要，于是纳米硬度技术应运而生。

纳米硬度计是纳米硬度测量的主要仪器，它是一种检测材料微小体积内力学性能的测试仪器，包括压痕硬度和划痕硬度两种工作模式。

由于压痕或划痕深度一般控制在微米甚至纳米尺度，因此该类仪器已成为电子薄膜、涂层、材料表面及其改性的力学性能检测的理想手段。

它不需要将表层从基体上剥离，便可直接给出材料表层力学性质的空间分布。

1、纳米压痕法纳米压痕硬度法是一类测量材料表面力学性能的先进技术。

其原理是在加载过程中试样表面在压头作用下首先发生弹性变形，随着载荷的增加试样开始发生塑性变形，加载曲线呈非线性，卸载曲线反映被测物体的弹性恢复过程。

纳米测量技术及应用纳米测量技术是基于纳米尺度物质特性的测量技术，具有高精度、高灵敏度、高分辨率和非接触性等特点。

它广泛应用于纳米科学、纳米技术、生物医学、材料科学等领域。

本文将围绕纳米测量技术的原理和应用展开，同时介绍国内外相关研究进展。

首先，我们来了解纳米测量技术的原理。

纳米尺度下物质的特性与宏观尺度具有显著差异，例如表面效应、量子效应和尺寸效应等。

传统的测量方法往往无法满足对这些特性的精确测量需求，因此，纳米测量技术应运而生。

它通过使用纳米探针和纳米力学系统，利用原子力显微镜、扫描电子显微镜和纳米机器人等设备，对纳米尺度下物质的性能、形态和结构等进行测量和分析。

纳米测量技术的应用非常广泛。

在纳米科学与技术领域，纳米测量技术可以用于表征纳米级材料的物理、电学、化学和力学等性质，帮助科学家了解纳米尺度下物质的行为规律和性能变化。

在纳米材料制备领域，纳米测量技术可以使用原子力显微镜等设备对纳米颗粒的尺寸、形状和分布等进行测量，从而控制和优化材料的性能。

在纳米装置制造领域，纳米测量技术可以用于检测和修复纳米级器件和电路的结构和性能，保证其正常运行和可靠性。

在纳米生物医学领域，纳米测量技术可以用于分子、细胞和组织的成像和分析，提供基于纳米尺度的生物信息和医学诊断手段。

除此之外，纳米测量技术还可以应用于纳米流体力学、纳米能源和纳米环境等领域。

国内外在纳米测量技术方面的研究也取得了诸多进展。

例如，美国国家标准与技术研究院（NIST）开展了针对纳米颗粒尺寸测量的研究，提出了一种纳米颗粒尺寸测量的新方法，通过使用非球形标准样品和高分辨率显微镜对纳米颗粒进行测量。

中国科学院纳米技术与纳米生物医学重点实验室也开展了一系列关于纳米力学测试和纳米流体力学测试的研究，提出了一种基于AFM原子力显微镜的纳米材料力学性能的测试方法。

纳米测量技术的发展还面临一些挑战。

首先，纳米尺度下物质的测量往往受限于分辨率和灵敏度等因素。

纳米尺度测量技术随着科学技术的迅猛发展，人们对微观世界的认识不断加深。

纳米尺度已经成为许多领域的重要研究方向。

然而，要准确测量纳米尺度的物体和现象并非易事，这就需要可靠且精密的纳米尺度测量技术。

一、纳米尺度测量技术的意义纳米尺度测量技术在现代科学研究和工程应用中起着举足轻重的作用。

首先，纳米尺度测量技术有助于科学家们更深入地了解和研究纳米级别的物质特性。

纳米粒子、纳米结构的电子、光学以及磁性等性质，对于开发新型纳米材料和纳米器件具有重要的意义。

其次，纳米尺度测量技术还可应用于纳米制造与纳米加工领域。

纳米尺度测量技术为纳米级别的制造过程提供了质量控制与检测手段，确保了纳米器件的准确性和可靠性。

此外，纳米尺度测量技术也可以应用于生物医学领域。

纳米级别的生物分子或细胞的观测和测量对于疾病的诊断和治疗具有重要意义，同时也为生物医学研究提供了新的手段和方法。

二、纳米尺度测量技术的发展与进展随着科技的不断创新和发展，纳米尺度测量技术的发展取得了巨大的突破。

目前，常用的纳米尺度测量技术包括扫描探针显微术、原子力显微镜、电子束刻线测量技术以及拉曼光谱等。

扫描探针显微术作为一种高分辨率的表面成像技术，广泛应用于材料学、纳米科学和生物技术领域。

它通过传感器上的分子尺度探针，对样品表面的形态、成分、电学和磁学等特性进行测量与分析。

这项技术具有高分辨率、高精度和非破坏性的特点，为研究和应用纳米特性提供了可靠的工具。

原子力显微镜是一种能够在原子尺度下测量材料表面的仪器。

其工作原理是利用探针尖端的力与样品表面之间的相互作用力来测量样品表面的形貌和性质。

原子力显微镜具有高分辨率、大范围性和环境适应性等优点，已经成为纳米科学研究中最重要的工具之一。

电子束刻线测量技术是一种可以精确测量材料表面和薄膜的纳米尺度形貌的方法。

它通过使用电子束照射样品，并利用电子的散射和衍射原理进行测量。

该技术可以同时提供表面形貌和成分信息，并对纳米材料的性质进行研究。

光信息专业实验报告：纳米测量光学实验一、 实验目的1、建立纳米测量的概念，了解其实现方法。

2、掌握利用笔束激光干涉法进行纳米精度的位移和振动测量的方法。

二、 实验基本原理1、位移的纳米测量方法用于纳米测量的笔束激光干涉仪原理如图1所示：激光器发出的激光，是甚细的准直激光束（称为笔束光）。

具体的光路如图1所示，其光学过程较容易分析。

这里不赘述。

可以看得，实验中正是利用光程不变的参考光与光程随压电陶瓷位移而改变的待测光相互干涉的原理来测量细小位移的。

此实验装置有以下几个有意义的地方： （1）笔束激光的产生：实验中使用的是普通的激光器，如何使得出射的光为甚细的准直激光束？参见图2，可以看到，实验中是利用衰减片和2个定向孔来产生笔束激光的。

让激光器出射的激光通过衰减片，则激光束中心以外的光被较大程度地衰减掉。

接着再通过定向孔3和5使光束严格地定向且光斑较小。

然而，这也涉及到测量的一个问题。

如果衰减片过多地限制了光的通过，则最后CCD 探测到的光强将比较小。

那么，外界的一点点扰动将引起干涉条纹的较大移动，从而影响了实验结果。

所以，在光束的准直和光强分布二者的选择间必须适当地取一个平衡点，以满足双方的需求。

（2）实验测量精度：相比于传统的迈克尔逊干涉仪，本实验的测量精度有了很大的提高，从半波长到百分之一波长。

根据光路图及理论分析，我们可以知道，压电陶瓷的位移s 将引起CCD 上干涉条纹的位移量X f 为：2f MfsX d=（1） 其中，M 为物镜的放大倍数，f 为成像透镜的焦距，2d 为待测光束与参考光束的空间间距，s 为待测镜的位移量。

倒过来讲，如果能够测得干涉条纹的位移量，则待测镜的位移量可写为：2f dX s Mf=（2）实验中，我们采用的各物理量的数值为：20,180,3M f mm d mm ===。

代入（2）式，可以得到：600f X s =（3）图1 理论实验装置图图2 实际实验装置图下面分析实验精度是如何实现的： A 、 杨氏双缝模型从光路图可以分析得知，此实验光路与杨氏双缝模型是相似的，而与传统的迈克尔逊等倾干涉模型是 不同的。