納米技術(shù)在精密測(cè)量中的應(yīng)用

1、納米技術(shù)在精密測(cè)量中的應(yīng)用 何為納米技術(shù)？ 納米是長(zhǎng)度單位，原稱毫微米，就是10的-9次方米（10億分之一米）。納米科 學(xué)與技術(shù)，有時(shí)簡(jiǎn)稱為納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性 質(zhì)和應(yīng)用。從具體的物質(zhì)說(shuō)來(lái)，人們往往用細(xì)如發(fā)絲來(lái)形容纖細(xì)的東西，其實(shí)人的 頭發(fā)一般直徑為20-50微米，并不細(xì)。單個(gè)細(xì)菌用肉眼看不出來(lái)，用顯微鏡測(cè)出直徑 為5微米，也不算細(xì)。極而言之，1納米大體上相當(dāng)于4個(gè)原子的直徑。假設(shè)一根頭發(fā) 的直徑為0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬(wàn)根，每根的厚度即約為1納米。 納米技術(shù)主要包含四個(gè)方面：納米材料，納米動(dòng)力學(xué)，納米生物學(xué)和納米藥物 學(xué)，納米電子學(xué)。 納米科學(xué)

2、是在納米(10-9m)和原子(約10-10m)的尺度上(1nm100nm)研 究物質(zhì)的特性、物質(zhì)相互作用以及如何利用這些特性的多學(xué)科交叉的前 沿科學(xué)與技術(shù)。隨著科學(xué)的發(fā)展,它涉及到越來(lái)越廣泛的內(nèi)容,其中納米 測(cè)量技術(shù)是納米科學(xué)的一個(gè)重要分支。半導(dǎo)體工業(yè)中的高精度模板的制 造和定位,高精度傳感器的標(biāo)定;在科學(xué)研究中的量子物理學(xué)、化學(xué)、分 子生物學(xué)等都需要很高的測(cè)量精度。因此無(wú)論是對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)還是 軍事領(lǐng)域等,納米測(cè)量都有著巨大意義。 納米測(cè)量的意義 納米測(cè)量的方法 目前,能夠進(jìn)行納米測(cè)量的方法主要有:非光學(xué)方法和光學(xué)方 法兩大類。 前者包括:SPM法、電容、電感測(cè)微法; 后者則包括:X光干涉

3、儀法、各種形式的激光干涉儀法和光學(xué) 光柵等方法。 掃描電子顯微鏡進(jìn)行納米測(cè)量 掃描電鏡的工作原理是: 電子束經(jīng)過(guò)電磁透鏡聚焦到樣品表面, 按順 序逐行對(duì)樣品進(jìn)行掃描, 同時(shí)將樣品表面散射或發(fā)射的各種電子用探測(cè) 器收集起來(lái), 并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào), 再送到顯像管就可轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像。由于 從樣品表面散射到發(fā)射的電子與樣品表面的固有特性( 如樣品的幾何形 狀) 有直接關(guān)系, 所以能得到樣品表面結(jié)構(gòu)的信息。 掃描電鏡測(cè)量 微結(jié)構(gòu)缺陷 掃描電子顯微鏡的基本結(jié)構(gòu), 主要由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)、圖像顯示系統(tǒng)和 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四個(gè)部分組成。 F-P干涉儀進(jìn)行納米測(cè)量 F- P 干涉儀僅基于平行平板的多光束干涉。圖

4、當(dāng)干涉腔長(zhǎng)發(fā)生微小變化時(shí), 激光器輸 出的拍頻和干涉級(jí)次發(fā)生變化, 檢測(cè)這一變化量即可得到被測(cè)位移量。從理論上講, 此種方法的測(cè)量精度可達(dá)到皮米級(jí), 是目前所有的光學(xué)納米測(cè)量方法中精度最高的。 F- P 干涉儀的干涉輸出信號(hào)具有很高的銳度, 非線性誤差較小, 另外, 通過(guò)換模鎖定, 可以實(shí)現(xiàn)較大范圍的測(cè)量。 外差干涉儀 外差干涉儀是對(duì)基本的邁克爾遜干涉儀的改進(jìn),它使用了頻差在幾兆到幾千兆赫茲的兩 個(gè)頻率的光波作為干涉儀的光源。兩個(gè)頻率的光波可以由雙波長(zhǎng)激光器得到,也可以利 用聲光調(diào)制器、電光調(diào)制等頻移器件移動(dòng)激光器的輸出光頻來(lái)實(shí)現(xiàn)。它的基本原理是將 被測(cè)位移量引入到外差信號(hào)的頻率或者位相變化中

5、,再將這種變化測(cè)量出來(lái)。由于外差 信號(hào)的頻率比光頻低得多,光電信號(hào)電子細(xì)分以后,系統(tǒng)的測(cè)量精度很容易提高 外差干涉儀最大的特點(diǎn)是在保證測(cè)量精度的前提下可以 實(shí)現(xiàn)很大的范圍測(cè)量,是應(yīng)用最為廣泛的干涉儀,例如在 美國(guó)NIST的分子測(cè)量機(jī)中使用的就是外差干涉儀的形式。 而且目前市場(chǎng)上已經(jīng)有分辨率達(dá)到納米量級(jí)的商業(yè)干涉 儀問(wèn)世,例如美國(guó)HP公司利用塞曼效應(yīng)產(chǎn)生的雙頻激光器 開(kāi)發(fā)出的干涉儀系列產(chǎn)品,分辨率小于1nm的商業(yè)干涉儀 也正在研究改進(jìn)當(dāng)中。 光柵干涉儀 這是一個(gè)典型的激光全息光柵干涉儀;這個(gè)干涉儀的光源是激光半導(dǎo)體二極管,它的使用 進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和成本。光源發(fā)出的光射到直線反射光柵上,+

6、1和-1級(jí)衍射光 分別被反射鏡反射到光電探測(cè)器P1和P2上形成干涉信號(hào)。圖中所示的系統(tǒng)經(jīng)過(guò)電子細(xì) 分能夠?qū)崿F(xiàn)0.02nm測(cè)量分辨率和4.5mm的測(cè)量范圍。 對(duì)于測(cè)量范圍較大的激光干涉儀和需要測(cè)量較長(zhǎng)時(shí)間的干涉儀(如應(yīng)用 在集成電路生產(chǎn)過(guò)程中),空氣溫度、氣壓、濕度以及CO2含量的變化,都 會(huì)形成測(cè)量誤差,誤差隨干涉儀光程差增大而增加。如果采用光柵作為 分光元件,使其衍射光束相干,可以構(gòu)成光柵干涉儀,被測(cè)位移不再影響 光程差。測(cè)量的基準(zhǔn)也由波長(zhǎng)變?yōu)楣鈻懦?shù)。影響測(cè)量精度的多種因素 變成只有光柵溫度,顯著改善了測(cè)量的穩(wěn)定性。這對(duì)某些場(chǎng)合的精密測(cè) 量是有益的。 在機(jī)械加工領(lǐng)域，比如數(shù)控機(jī)床，利用光柵

7、全閉環(huán)測(cè)量對(duì)于加工質(zhì)量的 提升起到了巨大的作用。因此納米技術(shù)的引入對(duì)于機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，尤 其是微機(jī)械，是開(kāi)發(fā)研究的方向。 納米技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用 1.EPS 應(yīng)用納米技術(shù)將汽油分子分割成納米為單位的質(zhì)子保證充分燃燒，節(jié)約 能源。 2.納米洗滌 納米分子Na(OH)2制造的肥皂可以充分溶解于液體，有助于衣服污汁 的分解，徹底洗盡衣物。 3.納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，如納米手術(shù)刀，進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)。 納米技術(shù)的五大應(yīng)用前景 1.人體內(nèi)的人體內(nèi)的“醫(yī)生醫(yī)生” 人們現(xiàn)在可以將健康監(jiān)測(cè)裝置佩戴在身上，隨時(shí)了解自身的狀況。如果進(jìn)一步將這 種技術(shù)微縮，那么，借助于納米技術(shù)就可以把微型傳感器植入或注射入人體內(nèi)，

8、捕 捉到患者更詳盡的信息，從而更有利于醫(yī)生進(jìn)行診治。 此外還有其他可能，比如監(jiān)測(cè)人體炎癥的發(fā)展、術(shù)后恢復(fù)等，甚至還能誕生一種 干預(yù)人體信號(hào)的電子裝置，具有控制器官的功能。這雖然聽(tīng)起來(lái)有些不可思議，但 是葛蘭素史克這樣的醫(yī)藥業(yè)巨頭，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始著手研發(fā)這類電子醫(yī)藥產(chǎn)品了。 2.傳感器傳感器 有賴于最新的納米材料和制造工藝，傳感器變得越來(lái)越小、越來(lái)越復(fù)雜，并且越來(lái) 越節(jié)能。目前，以較低成本就可以用柔性塑料輥批量生產(chǎn)出性能優(yōu)良的傳感器。如果繼 續(xù)發(fā)展下去，便可以在重要基礎(chǔ)設(shè)施的必要位置上安裝多個(gè)傳感器，如安裝在橋梁、飛 機(jī)和核電廠，用于監(jiān)控設(shè)施的安全運(yùn)作。 3.自我修復(fù)結(jié)構(gòu)自我修復(fù)結(jié)構(gòu) 改變材料的納

9、米級(jí)結(jié)構(gòu)，會(huì)使它們具備某種神奇的特性，如防水功能。在將來(lái)的某 一天，納米科技涂層或添加物還有可能賦予材料自我修復(fù)的功能。 假設(shè)材料上遍布納米顆粒，那么在其表面有裂痕出現(xiàn)時(shí)，這些顆粒就可以自行移動(dòng)繼而 讓裂痕彌合。這種技術(shù)可以應(yīng)用于從飛機(jī)駕駛艙到微電子學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，防止細(xì)微的破 裂變成危害更大的裂痕。 4.讓大數(shù)據(jù)作用更大讓大數(shù)據(jù)作用更大 傳感器的應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生前所未有的龐大信息數(shù)據(jù)，因此需要對(duì)它們進(jìn)行處理，用 于改善交通擁堵和防止事故發(fā)生，或?qū)⒔y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)用于調(diào)配警力資源，降低犯罪率。 納米技術(shù)在這方面的應(yīng)用，創(chuàng)造的是一種超密集記憶體，幫助儲(chǔ)存極其龐大的數(shù)據(jù)， 同時(shí)也可促進(jìn)高度有效的運(yùn)算法則發(fā)展，在確?？煽啃缘那疤嵯绿幚?、加密和傳達(dá) 數(shù)據(jù)。 5.應(yīng)對(duì)全球變暖應(yīng)對(duì)全球變暖 如今，電池能可以為電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)存更多的能源，太陽(yáng)能板也將更多的陽(yáng)光轉(zhuǎn)換 成了電