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为 了 准 确 无 误 地 生 产 纳 米 材 料 和 器 件 , 并 实 现 纳 米 技 术 的 应 用 , 在 纳 米 尺 度 上 测 量 和 表 征
材 料 ( 测 定 它 们 的 尺 寸 , 形 状 和 物 理 性 质 ) 的 能 力 至 关 重 要 。 纳 米 计 量 学 包 括 长 度 和 大 小
的 测 量 ( 尺 度 通 常 用 纳 米 表 述 , 测 量 误 差 常 常 在 1 纳 米 以 下 ), 以 及 作 用 力 、 质 量 、 电 学
和 其 它 性 质 的 测 量 。 随 着 实 现 这 些 测 量 的 技 术 的 不 断 完 善 , 我 们 对 纳 米 尺 度 的 行 为 的 理 解
也 在 加 深 , 随 之 而 来 的 是 改 善 材 料 和 工 业 过 程 的 能 力 , 以 及 制 造 过 程 的 可 靠 度 的 提 高 。 实
现 这 些 测 量 的 设 备 有 很 多 , 也 各 不 相 同 ; 在 3.1 栏 里 会 描 述 一 些 重 要 的 仪 器 。 材 料 的 表 征 ,
尤 其 是 对 工 业 中 用 到 的 , 会 在 第 四 章 中 进 一 步 讨 论 。
就 像 所 有 的 测 量 一 样 , 纳 米 测 量 本 质 上 也 是 一 个 基 础 技 术 。 无 论 怎 样 定 义 , 纳 米 技 术
不 可 能 脱 离 纳 米 测 量 单 独 发 展 。 除 了 直 接 对 科 学 研 究 和 其 应 用 直 接 的 影 响 外 , 纳 米 测 量 的
改 进 需 要 其 它 方 面 科 技 的 支 持 。 就 像 一 个 关 键 的 测 量 工 具 , 原 子 力 显 微 术 概 念 的 提 出 对 光
刻 和 分 子 操 纵 都 有 很 大 的 影 响 , 也 有 可 能 当 前 对 纳 米 器 件 的 研 究 会 带 来 新 的 测 量 方 法 。
在 纳 米 尺 度 上 进 行 精 确 测 量 会 遇 到 几 个 主 要 困 难 。 振 动 和 温 度 变 化 等 环 境 影 响 对 于 纳
米 量 级 来 说 是 不 可 小 视 的 。 例 如 , 用 于 制 造 微 电 子 器 件 的 大 型 设 备 所 受 的 任 何 外 部 变 化 都
会 影 响 纳 米 尺 度 结 构 的 形 成 和 相 互 排 列 。 测 量 这 些 影 响 , 并 将 它 们 控 制 到 最 小 的 能 力 是 非
常 重 要 的 。
现 在 较 多 的 仪 器 精 度 可 以 足 够 支 持 实 验 室 的 研 究 。 如 果 使 用 得 当 , 很 多 传 感 技 术 和 设
备 能 够 在 纳 米 甚 至 更 高 的 灵 敏 度 上 测 量 长 度 , 比 如 栏 3.1 中 提 到 的 扫 描 探 针 显 微 镜 、 电 子
显 微 镜 和 其 他 一 些 光 学 设 备 , 但 是 一 个 通 用 的 标 准 却 没 有 建 立 起 来 。 最 近 德 国 的
Physikalisch-Technische Bundesanstalt(Breil 等 ,2002) 发 表 数 据 说 , 即 使 是 非 常
熟 练 的 原 子 力 显 微 镜 使 用 者 , 对 同 样 一 个 特 征 的 测 量 也 有 很 明 显 的 差 别 。 没 有 一 个 公 用 的
标 准 , 这 些 工 具 不 能 在 纳 米 精 度 下 矫 正 , 于 是 对 于 实 验 室 和 加 工 厂 来 说 , 对 比 实 验 、 交 换
和 比 较 数 据 变 得 非 常 不 现 实 。 同 时 , 也 没 有 一 个 关 于 纳 米 安 全 健 康 的 法 律 标 准 。 纳 米 颗 粒
的 大 小 、 性 质 的 制 作 工 艺 也 缺 乏 一 个 官 方 的 标 准 。
在 我 们 召 开 的 工 业 界 研 讨 会 上 出 示 的 证 据 表 明 , 发 展 优 秀 通 用 的 测 量 标 准 非 常 困 难 。 在
一 个 单 独 的 实 验 室 或 者 机 构 里 , 在 纳 米 尺 度 上 进 行 工 作 并 没 有 特 别 的 困 难 , 这 是 因 为 一 些 特
征 物 品 ( 不 管 是 通 用 的 或 是 像 硅 晶 格 一 样 的 内 部 “ 黄 金 ” 标 准 ) 可 以 被 用 来 校 准 各 种 设 备 ,
从 而 在 一 套 测 量 之 间 可 以 建 立 自 恰 关 系 。 为 达 到 这 个 目 标 , 必 须 严 格 的 控 制 振 动 、 热 交 换 等
等 不 利 影 响 。 但 是 , 纳 米 及 以 下 尺 度 上 绝 对 长 度 的 测 量 与 确 定 是 非 常 困 难 和 昂 贵 的 。
3.3.2 长 度 测 量
尽 管 现 在 没 有 一 个 适 用 的 国 际 标 准 , 但 是 可 以 在 三 维 尺 度 上 为 原 子 力 显 微 镜 进 行 长 度
测 量 校 准 的 人 工 结 构 已 经 存 在 了 。 这 些 结 构 也 可 用 来 校 正 针 尖 , 因 为 扫 描 表 面 的 针 尖 的 准
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