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二級注冊計量師考試專業實務案例分析

1 納米測量技術國外情況綜述

國外于1982年發明并使其發明者Binnig和Rohrer（美國）榮獲1986年物理學諾貝爾獎的掃描隧道顯微鏡（STM）。1986年，Binnig等人利用掃描隧道顯微鏡測量近10-18N的表面力，將掃描隧道顯微鏡與探針式輪廓儀相結合，發明了原子力顯微鏡，在空氣中測量，達到橫向精度3n m和垂直方向0.1n m的分辨率。California大學S.Alexander等人利用光杠桿實現的原子力顯微鏡首次獲得了原子級分辨率的表面圖像。日本：S.Yoshida主持的Yoshida納米機械項目主要進行以下二個方面的研究：

⑴.利用改制的掃描隧道顯微鏡進行微形貌測量，已成功的應用于石墨表面和生物樣本的納米級測量；

⑵.利用激光干涉儀測距，在激光干涉儀中其開發的雙波長法限制了空氣湍流造成的誤差影響；其實驗裝置具有1n m的測量控制精度。2012年二級注冊計量師考試

日本國家計量研究所（NRLM）研制了一套由穩頻塞曼激光光源、四光束偏振邁克爾干涉儀和數據分析電子系統組成的新型干涉儀，該所精密測量已涉及一些基本常數的決定這一類的研究，如硅晶格間距、磁通量等，其掃描微動系統主要采用基于柔性鉸鏈機構的微動工作臺。英國：國家物理研究所對各種納米測量儀器與被測對象之間的幾何與物理間的相互作用進行了詳盡的研究，繪制了各種納米測量儀器測量范圍的理論框架，其研制的微形貌納米測量儀器測量范圍是0.01n m~3n m和0.3n m~100n m。Warwick大學的Chetwynd博士利用X光干涉儀對長度標準用的波長進行細分研究，他利用薄硅片分解和重組X光光束來分析干涉圖形，從干涉儀中提取的干涉條紋與硅晶格有相等的間距，該間距接近0.2nm，他依此作為校正精密位移傳感器的一種亞納米尺度。Queensgate儀器公司設計了一套納米定位裝置，它通過壓電驅動元件和電容位置傳感器相結合的控制裝置達到納米級的分辨率和定位精度。德國：T.Gddenhenrich等研制了電容式位移控制微懸臂原子力顯微鏡。在PTB進行了一系列稱為1nm級尺寸精度的計劃項目，這些研究包括：①.提高直線和角度位移的計量；②.研究高分辨率檢測與表面和微結構之間的物理相互作用，從而給出微形貌、形狀和尺寸的測量。目前，已完成亞納米級的一維位移和微形貌的測量。

2 納米測量技術國內情況綜述

國內的江西省科學院、清華大學、南昌大學等采用掃描探針顯微鏡系列，如掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡等，對高精度納米和亞納米量級的光學超光滑表面的粗糙度和微輪廓進行測量研究。天津大學劉安偉等在量子隧道效應的基礎上，建立了適用于平坦表面的掃描隧道顯微鏡微輪廓測量的數學模型，仿真結果較好地反映了掃描隧道顯微鏡對樣品表面輪廓的測量過程。清華大學李達成等研制成功在線測量超光滑表面粗糙度的激光外差干涉儀，該儀器以穩頻半導體激光器作為光源，共光路設計提高了抗外界環境干擾的能力，其縱向和橫向分辨率分別為0.39nm和0.73μm。李巖等提出了一種基于頻率分裂激光器光強差法的納米測量原理。中國計量學院朱若谷、浙江大學陳本永等提出了一種通過測量雙法布里一珀羅干涉儀透射光強基波幅值差或基波等幅值過零時間間隔的方法進行納米測量的理論基礎，給出了檢測掃描探針振幅變化的新方法。中國科學院北京電子顯微鏡實驗室成功研制了一臺使用光學偏轉法檢測的原子力顯微鏡，通過對云母、光柵、光盤等樣品的觀測證明該儀器達到原子分辨率，最大掃描范圍可達7μm×7μm。浙江大學卓永模等研制成功雙焦干涉球面微觀輪廓儀，解決了對球形表面微觀輪廓進行亞納米級的非接觸精密測量問題，該系統具有0.1nm的縱向分辨率及小于2μm的橫向分辨率。中國計量科學研究院研制了用于研究多種微位移測量方法標準的高精度微位移差拍激光干涉儀。中國計量科學研究院、清華大學等研制了用于大范圍納米測量的差拍法―珀干涉儀，其分辨率為0.3nm，測量范圍±1.1μm，總不確定度優于3.5nm。中國計量學院朱若谷提出了一種能補償環境影響、插入光纖傳光介質的補償式光纖雙法布里―珀羅微位移測量系統，適合于納米級微位移測量，可用于檢定其它高精度位移傳感器、幾何量計量等。

3 納米測量展望

縱觀納米測量技術發展的歷程，它的研究主要向兩個方向發展：

一是在傳統的測量方法基礎上，應用先進的測試儀器解決應用物理和微細加工中的納米測量問題，分析各種測試技術，提出改進的措施或新的測試方法；

二是發展建立在新概念基礎上的測量技術，利用微觀物理、量子物理中最新的研究成果，將其應用于測量系統中，它將成為未來納米測量的發展趨向。

但納米測量中也存在一些問題限制了它的發展。建立相應的納米測量環境一直是實現納米測量亟待解決的問題之一，而且在不同的測量方法中需要的納米測量環境也是不同的，目前應該建立一個合適的納米環境，尋求新的測量原理和多種技術的綜合應用。同時，對納米材料和納米器件的研究和發展來說，表征和檢測起著至關重要的作用。由于人們對納米材料和器件的許多基本特征、結構和相互作用了解得還不很充分，使其在設計和制造中存在許多的盲目性，現有的測量表征技術就存在著許多問題。此外，由于納米材料和器件的特征長度很小，測量時產生很大擾動，以至產生的信息并不能完全代表其本身特性。這些都是限制納米測量技術通用化和應用化的瓶頸，因此，納米尺度下的測量無論是在理論上，還是在技術和設備上都需要深入研究和發展

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