纳米技术在精密测量中的应用

1、纳米技术在精密测量中的应用 何为纳米技术？ 纳米是长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米（10亿分之一米）。纳米科 学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性 质和应用。从具体的物质说来，人们往往用细如发丝来形容纤细的东西，其实人的 头发一般直径为20-50微米，并不细。单个细菌用肉眼看不出来，用显微镜测出直径 为5微米，也不算细。极而言之，1纳米大体上相当于4个原子的直径。假设一根头发 的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。 纳米技术主要包含四个方面：纳米材料，纳米动力学，纳米生物学和纳米药物 学，纳米电子学。 纳米科学

2、是在纳米(10-9m)和原子(约10-10m)的尺度上(1nm100nm)研 究物质的特性、物质相互作用以及如何利用这些特性的多学科交叉的前 沿科学与技术。随着科学的发展,它涉及到越来越广泛的内容,其中纳米 测量技术是纳米科学的一个重要分支。半导体工业中的高精度模板的制 造和定位,高精度传感器的标定;在科学研究中的量子物理学、化学、分 子生物学等都需要很高的测量精度。因此无论是对国民经济各部门还是 军事领域等,纳米测量都有着巨大意义。 纳米测量的意义 纳米测量的方法 目前,能够进行纳米测量的方法主要有:非光学方法和光学方 法两大类。 前者包括:SPM法、电容、电感测微法; 后者则包括:X光干涉

3、仪法、各种形式的激光干涉仪法和光学 光栅等方法。 扫描电子显微镜进行纳米测量 扫描电镜的工作原理是: 电子束经过电磁透镜聚焦到样品表面, 按顺 序逐行对样品进行扫描, 同时将样品表面散射或发射的各种电子用探测 器收集起来, 并转变为电流信号, 再送到显像管就可转变为图像。由于 从样品表面散射到发射的电子与样品表面的固有特性( 如样品的几何形 状) 有直接关系, 所以能得到样品表面结构的信息。 扫描电镜测量 微结构缺陷 扫描电子显微镜的基本结构, 主要由电子光学系统、信号检测系统、图像显示系统和 数据处理系统四个部分组成。 F-P干涉仪进行纳米测量 F- P 干涉仪仅基于平行平板的多光束干涉。图

4、当干涉腔长发生微小变化时, 激光器输 出的拍频和干涉级次发生变化, 检测这一变化量即可得到被测位移量。从理论上讲, 此种方法的测量精度可达到皮米级, 是目前所有的光学纳米测量方法中精度最高的。 F- P 干涉仪的干涉输出信号具有很高的锐度, 非线性误差较小, 另外, 通过换模锁定, 可以实现较大范围的测量。 外差干涉仪 外差干涉仪是对基本的迈克尔逊干涉仪的改进,它使用了频差在几兆到几千兆赫兹的两 个频率的光波作为干涉仪的光源。两个频率的光波可以由双波长激光器得到,也可以利 用声光调制器、电光调制等频移器件移动激光器的输出光频来实现。它的基本原理是将 被测位移量引入到外差信号的频率或者位相变化中

5、,再将这种变化测量出来。由于外差 信号的频率比光频低得多,光电信号电子细分以后,系统的测量精度很容易提高 外差干涉仪最大的特点是在保证测量精度的前提下可以 实现很大的范围测量,是应用最为广泛的干涉仪,例如在 美国NIST的分子测量机中使用的就是外差干涉仪的形式。 而且目前市场上已经有分辨率达到纳米量级的商业干涉 仪问世,例如美国HP公司利用塞曼效应产生的双频激光器 开发出的干涉仪系列产品,分辨率小于1nm的商业干涉仪 也正在研究改进当中。 光栅干涉仪 这是一个典型的激光全息光栅干涉仪;这个干涉仪的光源是激光半导体二极管,它的使用 进一步减小了系统的结构和成本。光源发出的光射到直线反射光栅上,+

6、1和-1级衍射光 分别被反射镜反射到光电探测器P1和P2上形成干涉信号。图中所示的系统经过电子细 分能够实现0.02nm测量分辨率和4.5mm的测量范围。 对于测量范围较大的激光干涉仪和需要测量较长时间的干涉仪(如应用 在集成电路生产过程中),空气温度、气压、湿度以及CO2含量的变化,都 会形成测量误差,误差随干涉仪光程差增大而增加。如果采用光栅作为 分光元件,使其衍射光束相干,可以构成光栅干涉仪,被测位移不再影响 光程差。测量的基准也由波长变为光栅常数。影响测量精度的多种因素 变成只有光栅温度,显著改善了测量的稳定性。这对某些场合的精密测 量是有益的。 在机械加工领域，比如数控机床，利用光栅

7、全闭环测量对于加工质量的 提升起到了巨大的作用。因此纳米技术的引入对于机械行业的发展，尤 其是微机械，是开发研究的方向。 纳米技术在实际生活中的应用 1.EPS 应用纳米技术将汽油分子分割成纳米为单位的质子保证充分燃烧，节约 能源。 2.纳米洗涤 纳米分子Na(OH)2制造的肥皂可以充分溶解于液体，有助于衣服污汁 的分解，彻底洗尽衣物。 3.纳米技术在医学上的应用，如纳米手术刀，进行微创手术。 纳米技术的五大应用前景 1.人体内的人体内的“医生医生” 人们现在可以将健康监测装置佩戴在身上，随时了解自身的状况。如果进一步将这 种技术微缩，那么，借助于纳米技术就可以把微型传感器植入或注射入人体内，

8、捕 捉到患者更详尽的信息，从而更有利于医生进行诊治。 此外还有其他可能，比如监测人体炎症的发展、术后恢复等，甚至还能诞生一种 干预人体信号的电子装置，具有控制器官的功能。这虽然听起来有些不可思议，但 是葛兰素史克这样的医药业巨头，现在已经开始着手研发这类电子医药产品了。 2.传感器传感器 有赖于最新的纳米材料和制造工艺，传感器变得越来越小、越来越复杂，并且越来 越节能。目前，以较低成本就可以用柔性塑料辊批量生产出性能优良的传感器。如果继 续发展下去，便可以在重要基础设施的必要位置上安装多个传感器，如安装在桥梁、飞 机和核电厂，用于监控设施的安全运作。 3.自我修复结构自我修复结构 改变材料的纳

9、米级结构，会使它们具备某种神奇的特性，如防水功能。在将来的某 一天，纳米科技涂层或添加物还有可能赋予材料自我修复的功能。 假设材料上遍布纳米颗粒，那么在其表面有裂痕出现时，这些颗粒就可以自行移动继而 让裂痕弥合。这种技术可以应用于从飞机驾驶舱到微电子学的各个领域，防止细微的破 裂变成危害更大的裂痕。 4.让大数据作用更大让大数据作用更大 传感器的应用会产生前所未有的庞大信息数据，因此需要对它们进行处理，用 于改善交通拥堵和防止事故发生，或将统计数据用于调配警力资源，降低犯罪率。 纳米技术在这方面的应用，创造的是一种超密集记忆体，帮助储存极其庞大的数据， 同时也可促进高度有效的运算法则发展，在确保可靠性的前提下处理、加密和传达 数据。 5.应对全球变暖应对全球变暖 如今，电池能可以为电动汽车储存更多的能源，太阳能板也将更多的阳光转换 成了电