納米計量技術(shù)及分子測量機(jī)

隨著科技的發(fā)展，微電子學(xué)、材料學(xué)、精密機(jī)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(yīng)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(tǒng)，因此，從上世紀(jì)八十年代開始，逐步誕生了一門嶄新的學(xué)科――納米計量學(xué)。

1982年，IBM蘇黎世研究實(shí)驗(yàn)室的德國物理學(xué)家賓尼希和瑞士物理學(xué)家羅雷爾設(shè)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(yīng)及隧道電流，它用一個極細(xì)的探針(針尖為單個原子)接近試件表面，并在探針與試件之間施加偏壓，當(dāng)兩者接近到納米級距離時即產(chǎn)生隧道電流，其大小與距離成反比。STM在計量中有兩種應(yīng)用方法：一種是通過反饋保持隧道電流為定值，用于檢測試件表面形貌;另一種是通過測量隧道電流的大小來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(xiàn)了一系列測量尺度可達(dá)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(yīng)用，使人類有史以來第一次能夠觀察到單個原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)，并成功實(shí)現(xiàn)了原子搬遷。

但是，這些儀器只是“觀察”到分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，沒有量的概念。在計量學(xué)實(shí)際應(yīng)用中，還必須解決溯源問題，建立計量標(biāo)準(zhǔn)，即需要提供一種可溯源的、具有納米量級精度的長度測量手段。上世紀(jì)九十年代以來，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(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)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題。1994年美國NIST研制成功第一臺三維分子測量機(jī)(MolecularMeasuringMachine)，它實(shí)際是一臺超高精度的三坐標(biāo)測量機(jī)，測量范圍為50mm50mm12mm，空間測量不確定度為1nm。該測量機(jī)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(tǒng)，干涉儀采用光學(xué)8倍頻和相位100細(xì)分，使分辨率達(dá)到0.075nm。分子測量機(jī)的探針分為兩種：低分辨率測量時采用共焦光學(xué)顯微鏡;高分辨率測量時采用隧道顯微鏡或原子力顯微鏡。

分子測量機(jī)不但解決了計量溯源問題，實(shí)現(xiàn)了真正意義的納米測量，而且能夠操作一簇分子和原子(甚至單個原子)，可應(yīng)用于微型機(jī)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(yīng)用不可缺少的重要手段。

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