納米計量技術(shù)及分子測量機

　　隨著(zhù)科技的發(fā)展，微電子學(xué)、材料學(xué)、精密機械學(xué)、生命科學(xué)和生物學(xué)的研究已深入到原子領(lǐng)域。為適應這一發(fā)展，迫切需要具有計量意義的納米、亞納米精度測量系統，因此，從上世紀八十年代開(kāi)始，逐步誕生了一門(mén)嶄新的學(xué)科――納米計量學(xué)。

　　1982年，IBM蘇黎世研究實(shí)驗室的德國物理學(xué)家賓尼希和瑞士物理學(xué)家羅雷爾設計了世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)，并于1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。STM的原理利用了物理學(xué)上的隧道效應及隧道電流，它用一個(gè)極細的探針(針尖為單個(gè)原子)接近試件表面，并在探針與試件之間施加偏壓，當兩者接近到納米級距離時(shí)即產(chǎn)生隧道電流，其大小與距離成反比。STM在計量中有兩種應用方法：一種是通過(guò)反饋保持隧道電流為定值，用于檢測試件表面形貌；另一種是通過(guò)測量隧道電流的大小來(lái)表征探針與試件間的距離。

　　繼掃描隧道顯微鏡之后，相繼出現了一系列測量尺度可達到原子量級的檢測技術(shù)與儀器，如原子力顯微鏡(AFM)、掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(SNOM)、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)等。這些先進(jìn)技術(shù)的應用，使人類(lèi)有史以來(lái)第一次能夠觀(guān)察到單個(gè)原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)，并成功實(shí)現了原子搬遷。

　　但是，這些儀器只是“觀(guān)察”到分子的內部結構，沒(méi)有量的概念。在計量學(xué)實(shí)際應用中，還必須解決溯源問(wèn)題，建立計量標準，即需要提供一種可溯源的、具有納米量級精度的長(cháng)度測量手段。上世紀九十年代以來(lái)，各國科學(xué)家對此進(jìn)行了大量研究。中國計量科學(xué)研究院與德國PDB合作研制了可自校準和實(shí)現絕對測量的原子力顯微鏡、差拍F－B干涉儀等，解決了單維尺寸的溯源和測量問(wèn)題。1994年美國NIST研制成功第一臺三維分子測量機(MolecularMeasuringMachine)，它實(shí)際是一臺超高精度的三坐標測量機，測量范圍為50mm50mm12mm，空間測量不確定度為1nm。該測量機采用能夠溯源的超高分辨率外差激光干涉儀作為測量系統，干涉儀采用光學(xué)8倍頻和相位100細分，使分辨率達到0.075nm。分子測量機的探針?lè )譃閮煞N：低分辨率測量時(shí)采用共焦光學(xué)顯微鏡；高分辨率測量時(shí)采用隧道顯微鏡或原子力顯微鏡。

　　分子測量機不但解決了計量溯源問(wèn)題，實(shí)現了真正意義的納米測量，而且能夠操作一簇分子和原子(甚至單個(gè)原子)，可應用于微型機械、納米管、納米材料處理等技術(shù)領(lǐng)域，是納米科技研究和應用不可缺少的重要手段。