納米計量技術及分子測量機

隨著科技的發(fā)展，微電子學、材料學、精密機械學、生命科學和生物學的研究已深入到原子領域。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(tǒng)，因此，從上世紀八十年代開始，逐步誕生了一門嶄新的學科――納米計量學。

1982年，IBM蘇黎世研究實驗室的德國物理學家賓尼希和瑞士物理學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獎。STM的原理利用了物理學上的隧道效應及隧道電流，它用一個極細的探針(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，當兩者接近到納米級距離時即產生隧道電流，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到原子量級的檢測技術與儀器，如原子力顯微鏡(AFM)、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)、光子掃描隧道顯微鏡(PSTM)等。這些先進技術的應用，使人類有史以來第一次能夠觀察到單個原子在物質表面的排列狀態(tài)，并成功實現(xiàn)了原子搬遷。

但是，這些儀器只是“觀察”到分子的內部結構，沒有量的概念。在計量學實際應用中，還必須解決溯源問題，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度測量手段。上世紀九十年代以來，各國科學家對此進行了大量研究。中國計量科學研究院與德國PDB合作研制了可自校準和實現(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(MolecularMeasuringMachine)，它實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(tǒng)，干涉儀采用光學8倍頻和相位100細分，使分辨率達到0.075nm。分子測量機的探針分為兩種：低分辨率測量時采用共焦光學顯微鏡;高分辨率測量時采用隧道顯微鏡或原子力顯微鏡。

分子測量機不但解決了計量溯源問題，實現(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)，可應用于微型機械、納米管、納米材料處理等技術領域，是納米科技研究和應用不可缺少的重要手段。

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