（光学工程专业论文）纳米计量的新方法研究及双成像单元原子力显微镜系统的研制.pdf

摘要 纳米科技是二十世纪9 0 年代发展起来的一门新兴学科。扫描探针显微镜( s p m ) ， 特别是原予力显微镜( a f m ) ，是纳米科技研究的重要工具。利用a f m 既可直接观察 物覆表面的纳米级形貌，也髓进行定程度瓣纳米热工。随着纳米技术的发隧，对a f m 等也提出了更新更高的要求，传统的观察型或检测型a f m 向计量型a f m 发展将成为 必然趋势。本文提出双成像单元原予力显微镜( d i u a f m ) 的新思想，对其原理和方 法进行系统的理论研究，在国内外率先研裁d 掰一a f m 系统，发展了纳米计量的薪方 法，拓展和提升了a f m 的性能和应用范畴，不仅具有重要的理论意义和科学价值，而 且在纳米技术的诸多领域具有广阔的实际应用前景。 本文潮述了s p m 及几辩计量化技术的国内步 研究发展现状，介绍了s p m 特剐慧 a f m 的工作原理及其在纳米计量方面的局限性。以a f m 为例，常规的a f m 系统虽然 都事先进行过必要的校正，但是从计量的角度两言，采用不同方法设计和生产出来的 a f m 系统，再用不箍的方法进雩亍校正蠢，它们的性能和精度仍然是不同的。都使是同 一台经过校正的a f m ，随着环境条件的变化和时间的推移，其性能和测量精度也仍会 发生变化。因此，普通a f m 系统的测量结果缺乏计量意义。为此追切需要发展新的计 量型a f m 系统，以实现寞正意义上的纳米计量 本文首次提出和发展了基于d i u ，a f m 系统的纳米计量新思想和新方法。这一方法 的核心是用两个_ 并行设髓而又互相独立的a f m 成像单元，对放置于同一个姗，扫描嚣 上的标漆样品和待测样龉同时扫描成像，得到两幅其有相同横向尺度的样龋表面形貌 图。由于标准样品具有周期性结构，并且其已知的周期长度可以作为计量标准，因此， 比较待测样品与标准样品的a f m 图像，就可以精确获得待测样品的具有可溯源到计量 标准的尺度俊，从而实现严格的纳米计量。 基于上述原理和方法，我们在国内外率先研制了双成像单元原予力显微镜系统，其 中特有的d i u i a f m 探头，由参考单元和待测单元组成，包括一个共用朋，扫接嚣、两 个独立的a f m 微探针( 各自安装在z 向反馈控制器上) 、两路独特的基于光束偏转法的 检测光路，以及两套微探针一样品逼近机构。其次，研制了高性能、高精度、高速度的 微纳米扫描、检测与p i d 反馈控制电路系统，系统采用高精度和高速度的a 国& d ，a 接 口卡实现扫描控制信号盼输出和a f m 形貌信息盼缕入。此外，研制开发了功能完善的 d l u a f m 的微纳米扫描、检测、计量软件及图像处理软件系统，可实现，并具备实现 大扫描范围的纳米计量的软件功能。 糕瘸d 掰，a f m 系统成功遂萼亍了。系歹| j 继米计量实验，验证了基予蛰 u a f m 系统 的纳米计量的可行性。用多孔氧化铝或周期性光栅作为标准样品，对多种样品表面的纳 米结构进行了线宽、粒径、长度等的测量，获得了具有计量意义的精确测量结果。实验 结采表明，本文研制鲍d i u ，a 箩m 系统瞧髓优越，氆劲于不阉的标准样最，可以很方便 地对各种尺度的纳米结构进行精确计量，可达到1 m 量级的计量精度。此外，d i u a f m 系统熏复性和稳定性良好、操作简单，可以获得具有可溯源到计量标准的测量值，而且 系统对工 乍巧境要求不高，可以被广泛捺广应用。 进一步提出了一种基于序列图像测量和图像拼接的大范围纳米计量方法。为实现大 范围( 如1 0 0um 1m m 量级) 、纳米精度( 如ln m 1 0n m 量级) 的纳米计量，将整 个朋7 扫描器_ 置于朋微动平台之上，逶过交磐移动皴动台和进行d i u a f m 系绞扫撼， 扫描获得系列参考图像和被测图像对，构成组对应的图像序列。将这些序列图 像首尾拼接组成太范围且具有纳米量级精度的参考图像和被测图像，再利用双元计燎原 理，藏可以进行大菠围的纳米计量。在理论上，这秘方法可以实现任意大范围雏鳙张级 精度的长度计量。 最后，论文对d m - a f m 系统进行了误麓分析和性自优化。分析了压电陶瓷的非线 性和迟滞等效应，从软硬件两个方瑟着手对压电陶瓷 线性进行了校正，并对d 搿a f m 系统的其他各种误麓进行了分析，进而提出了不同的应对方案，进一步提高和优化了系 统的性能。为d i u a f m 系统在纳米计量领域的广泛应用提供了坚实的理论、方法积 技术基础。 关键谰：纳米技术，纳米计量，双成像单元原子力显微镜，可溯源，标准样品，待测样 品，扫摇，比较，光束偏转法，序列图像，拼接，菲线性校正，误差分柝，系统优化 i i a b s t r a c t n a l l o t e c h n o l o g yi san e ws u b j e c td e v e l o p e dn d m t h ee n do f2 0 t hc e m m ys c a 玎血n g p m b em i c r o s c o p e s ( s p m s ) ，e s p e c i a l l ya t o m i cf o r c em i c m s c o p e s ( a f m s ) ，a r em em o s t i m p o r “n s t r u m e n t su s e di nt h ef i e l do fn a n o t e c h n o l o g y n o w a d a y s ，a f mi su s e dn o to “y f o ri m a g i n gm e 眦o m e t e ro r d e rt 叩o g r a p h yo f m a t e r i a ls u r f a c e s ，b u ta l s of o rn a n o - m a c h i n i n g w i t ht h ed e v c l o p m e mo fn a n o t e c l l l l o l o gy ，m o r ee x c e l l e n tp e r f o m l a n c eo fa f ms y s t e mi s r e q u i r e d ， m e t r o l o g i c a ia f m sm u s tb ed e v e l o p e dt ot a k et h ep l a c eo f 廿a d i t i o n a l l y o b s e r v a t i o n a la f m s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，an e wi d e ao fd u a li m a g i n gu n i ta t o m i cf o r c e m i c r o s c o p e ( d i u a f m ) i sp u tf o r w a r d t h e o r e t i cr e s e a r c h e so nn l ep r i n c i p l ea n dm e t h o do f d i u a f mh a v eb e e nc a r r i e do u t d i u a f ms y s t e mi sd e v e l o p e dt or e a l i z et l l en e wm e t h o d o fn a l l o m e t r 0 1 0 9 yt h ed e v e l o p r n e mo fd i u - a f ms y s t e mi m p r o v e st h ep e r f o n n a l l c ea 1 1 d 印p l i c a t i o no fa f m nn o to n l yh a si m p o nt h e o r e t i c a ls i g n j f i c a t i o n sa n ds c i e n t i n c l u e ，b u t a l s oh a sa 口e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c ti nn a i l o t e c l l i l o l o g y t h i sd i s s e n a t i o nr e p r e s e m ss p mt e c h n 0 1 0 9 ya 1 1 dt l e s t a t e l so ft h em e t r o l o g i c a l t e c l l l l o l o g y a n d 山e ni n 廿o d u c e st h ep r i n c i p l eo fs p m ，e s p e c i a n ya f m ，a n di t s1 i m “a t i o ni n n a n o m e t r o l o g y ，n o r m a la f ms y s t e mh a st ob ec a l i b r a t e dw i t hw e l l 一d e n n e dr e f e r e i l c es c a l e i nt h ev i e w p o i mo fm e d 1 0 9 y ，h o w e v e r ，a f m sd e s i g n e da 1 1 dp r o d u c e dd i f f b r e n t l ya 1 1 dm e n c a l i b r a t e db yd i f r e r e n tr e f e r e n c es c a l e sh a v ed i f r e r e mp e r f o m l a n c ea n dp r e c i s i o n e v e nm e p e d b m l a n c ea 1 1 dp r e c i s i o no fas 锄ea f mw i l lb ed i 丘b r e n tw h j l et h ee n v i r o 砌e n ta n dt i m e c h a l l g e t h e r e f o r e ，廿1 em e a s l l r e m e n tr e s u i to fn o r n l a la f ms y s t e mi sn o tm e 0 1 0 9 i c a l ，n e w m e 仃0 1 0 9 i c a la f ms y s 锄nh a s t ob ed e v e l o p e dt or e a l i z en a j l o - m e t r o l o g yi ns 订i c t l ys p e a k i n g n e w p r i n c i p l ea n dm e t h o do f n a r l o - m e 仃o l o g yb a s e do nd i u - a f mh a sb e e np r e s e m e d i n d i u a f m ，铆oa f mu n i t sw e r ec o m b i n e d ，o n ea sar e f c r e n c eu n i t ，a 1 1 dt h eo l e rat e s to n e t h e i rp r o b e sw i t hz p i e z oe l e m e n t sa n dt i p sw e r ch o r i z o n t a l l ys e ti np 啪儿e 1a tt h es a m e h e i g h tt or e d u c ea b b e se r r o r s ar e f e r e n c es 锄p l ea n dat e s ts a m p l ew e r ea t t a c h e dt oo n e s i n g l e 朋s c a i m e ro ns 锄es 删沁e ，a 1 1 dw e r ei m a g e db yt l l ea f mu n i t sa tm es a m et i m e t h e t w oi m a g e sh a v et h es 锄el a t e r a ls i z e ，a i l dt h u st h el e n g mo ft h et c s ts a m p l ei m a g ec o l l l db e a c c u r a t e l ym e a s u r e db yc o u n t i n gt h ep e r i o d i cf b a t u r e si n 也er e f e r e n c eo n e t h el e n m ho fm e i i i p “o d i cf e a t u r e i nt h er c f e r e n c es 姐巾l ec a l lb et r 氍et ot b en a 士i o n a ls t a n d 龇d ，s o 也e m e a s u r e m e n tr e s u l t so fd i u a f ma r ea i s ot r a c e 曲l e d i u - a f ms y s t e mh a sb e c nd c v e l o p e d u n i q u ed i u a f mp r o b ec o m b i n e dr e f e r e n c eu 1 1 i t a n dt e s tu n i tw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n go n es i n g l e 姗7s c a n n e r ，似oi n d e p e n d e n ta f m c a n m e v e r sa n dt i p sm 砒w e r ei n s t a 王l e da t 吐l ee n do fzf e e d b a c kc o m r o l l e r s ，t w op a n i c u l a r o p t i c a lp a t h so f1 a s e fb e a md e f l e c t i o nm e t h o df o rm em e a s u r e m e n to fc a n t i l e v e r s d i s p l a c e m e n ta n dt w op a i r so fc o a r s ea i l df i n ea d j u s t i n gm e c h a l l i s mf o rs a m p l e t i pa p p r o a c h s c a n n i n gc o m r o lc i r c u i t sw e r ee m p l o y e dt o 捌v em e 姗7s c 籼e lp r e 锄p l i f i e r sw e r e d e v e l o p e dt op r o c e s s 也es i g n a l sf r o mp s d s a n d 细oi n d e p e n d e n tp i df e e d b a c kc i r c u i t sw e r e b u i i tt oc o n t m lm em o v e m e n to ft h ezp i e z o s s o r w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e dt og e n e r a t e s c 煳i n gc o n t r o ls i g n a l sa n dc o l l e c td a t at h r o u 曲刖d & d ac o n v e n e t 码ef u n c t i o n so f s o f t w a r es y s t e ma l s oi n c l u d ei m a g ed i s p l a y ，i m a g ep r o c e s s i n g ，a u t o m a t i cn a n o - m e 仃o l o g y c a l c u l a t i o nb a s e do nr c f c r e n c es a m p l e 锄da u t o m a t i ci m a g es p l i c 协gf o rw i d e r a l l g en a n o m e t r o l o g y e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t t op r o v et h ef e a s 蜘i l i t yo fn a n o m e 捃o l o g yb a s e do n d i u - a f m l e n g m s ，l i n ew i d m sa n dp a n i c l es i z o so fn a n o s 打u c t l l r e so ns e v e r a ls a m p l e s 淑 a c e sw e r em e a s m db yd i u - a f mw h j l ep o r o u sa l l l m 纽ao rp e r i o d i cg f a d n ga st 圭l e r e f e r e n c es 锄p l o t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h ee x c e l l e n tp e r f b r m 孤c eo fd i u a f m b y e m p l o y i n gd i 任b n tf e f e r e n c es a m p j e s ，t h i ss y s t e mc a nc a r r yo u tn a n o m e t r o l o g yo nd 主 奄r e n t s c a l en a n o s t n j c t u r e sw i t ho n en a n o m e t e rm e a s u r i n ga c c u r a c ya n dt h em e a s u r e m e n tr e s u l t sc 1 1 ：l k t r a c e dt ot h en 撕o n a ls t a n d a r d 。b e s i d e st h c s e ，u 一心mh a sh i 班p e a t a b i l i t y ，r e l i a b l e s t a b i l i t ) ，a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n a n dt h el o wr e q u i r e m e n to f w o r ke n v i r o n m e mb e n e f i t st l l e 砸d ea p p l i c a t i o no f 也es y s t e m an e wm e t h o do fi m p l e n l e n t i n gw i d e - r a n g en a n o n l e t m l o g yw a sd e v e l o p e do n 廿l eb a s i s o fs e r i 甜i m a g e s 蹴di m a g es p l i c 遮g 孙f e a l i z c 砸d e r 矾g e ( 1o o 非毪l lm m o r d e r ) n a m 。t o r p r e c i s i o n ( 1 1 1 1 n l o m ) n a n o m e t r 0 1 0 9y ，t h ew h o l e 邪s c a i l i l e ro fd i u - a f m 啪s8 e tu p o na 姗7s t a g e 强e 朋s 扭g ec 飘m o v e 证p a f a l l e la l o 氅xd i r e c t i o n a 舭rt h ed i u a f ms c a n n e d a n dg a i n e do n ep a i ro fr e f b r e n c ei m a g ea n dt o s ti m a g e ，t h e 盯s t a g em o v e dac e r t a i nd i s t a n c e ， 像e 珏d l u a f ms c a n n e df o ft 圭l es e c o 醚t i m ea n dt h es c c o 翻p a i ro fi m a g e sw a sg a i n e d t h e r e s tm a yb ed e d u c e db y a n a l o g yi nt h i sw a y ，b ya l t e m a t i v e l ym o v i n gt 1 1 e 姬7s t a g ea n d l v s c a r u l i n gt h er e f e r e n c es a m p l ea n dt e s ts a m p l eb yd i u a f m ，as e r i e so f p a i r so fi m a g e sw e r e o b t a i n c d 。a n d 蠢s o ，e v e r yp 越r so f 妇a g e sw e f eo ft h es 锄el a t c r a ls i z c 。t h c s es e r 主a 圭i m 略e s c a nb es p l i c e di n t oap a i ro f 晰d e 一例a g er e f e r a l c ea n dt c s ti m a g e st l l a th a v en a n o m e t e ro r d e r p r e c i s i o n t h et w os p l i c e di m a g e sa r eo f l es 锄es i z o ，a l l dm el e n g t hi nt e s ti m a g ec a nb e m e a s 戳db a s e do nt | l er e f e r e n c es a m p l o ， t h ep e r f o r m a n c eo fd i u a f mh a sb e e ni m p r o v e d a f t e ra n a l y z i n g l en o n l i n e a r i t yo f p z t ：c a l i b r a t i o nw a sc l 】r r i e do u to np z tb o mi nh 棚d w a r ea n ds o f h v a r et oe l i m i n a t em e n o n l i n e 越t y 硅ee 玎o f s o fd i u a f mw e r ea n a l y z e d 鑫玎d e o r r c s p o 砖i n gi 粥p v e m e n t p r o g r 锄sw e r eb r o u g h tf b r w a r dt oi m p r o v et h ep e r f o r i n a n c eo f 也es y s t e ms om a td i u a f m c a i lb e 印p l i e d 、v i d e l y k 明v o r d s ：n a l l o t e c l l l l o l o 肼n a i l o - m e 油1 0 鼢d i u a f m ，t r a c e a b 胁y ，r c f c 牝n c es a m p l e ， t b s ts a m p l e ，s c a n n i n g ，c o m p a r i s o n ，o p t i c a lb e a n ld e n e c t i o nm e t h o d ，s e r i a li m a g e ，s p l i c e ， c a i i b 翻t i o no f n o n l i n e a r i t yo f p z 暑e 班钟腿a l y s i s ，p e r 触m 缸e ei m p v e 趣e n t v 第一章绪论 1 1 纳米技术的发展及应用 1 1 1 纳米科技概述 纳米科技【】是二十世纪中后期发展的一门新兴学科。一个纳米是十亿分之一米，是 可以用来描述单个分子大小的长度单位。纳米尺度介于经典理论和量子力学所研究的尺 度之间。纳米技术是指具有原子或者分子级精度的一些器件的生产制各技术。最小特征 尺度在1 1 0 0 枷的器件可以认为是纳米技术的产物。毫无疑问，纳米器件的出现能够 解决很多目前人类所面临的问题。而纳米科学是关于纳米技术的一门综合性学科。它主 要研究物理学、生物学、化学、电子学等学科在纳米尺度的交叉领域中的一些问题。 最早提出纳米科技的是著名物理学家r i c h a r df e y 姗a i i 。1 9 6 0 年，他在科学与工 程杂志上发表了题为在底部还有大量余地的预言性文章。但是，由于科学技术水 平的限制，在其后的一二十年内，费曼的设想没有引起人们的重视。直到7 0 年代，科 学家们才开始从不同的角度提出许多有关纳米科技的构想，但都末形成系统。1 9 7 4 年， i g u c h i 最早提出使用纳米技术( n 柚o t e c h n o l o g y ) 一词描述精细机械加工；1 9 7 7 年， 美国麻省理工学院k e r i c d r e x l e r 提出，可以从模拟活细胞中的生物分子的人工类似物 一分子装置开始研究，并称之为纳米科技。 纳米科技使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。它的最终目 标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品， 实现生产方式的飞跃。因而，纳米科技将对人类产生深远的影响。 纳米科技对于基础学科的研究来说具有非常诱人的前景。因为在纳米尺度上物质表 现出新颖的现象、奇特的效应、特异的性质。纳米科技是具有直接的实用目的的一门学 科，它能为人类提供新颖的、特定功能的装置；纳米技术的另一重要方面是微型化，如 制作体积更小、价格更便宜、速度更快的微电子元件，设计微型传感器、微型工具及微 型仪器等。1 9 9 0 年以后纳米材料和科技的发展可参考美国国家技术委员会纳米科学技术 分会主席r o c omc2 0 0 2 年在美国n s f 讨论会上发表的以下观点。 1 ) 1 9 9 0 年2 0 0 1 年为第一发展阶段( g e n e r a t i o n ) ，其标志是在镀层、纳米粒子和 浙江大学博士学位论文( 信息科学与工程学院光学工程) 块体纳米结构材料中的被动的( p a s s i v e ) 纳米结构。 2 ) 2 0 0 1 年2 0 0 5 年为第二发展阶段，其标志是主动的( a c l i v e ) 纳米结构，如晶 体管、传动操作机构、自适应结构等。 3 ) 2 0 0 5 年2 0 1 0 年为第三发展阶段，即三维纳米系统，这种三维纳米系统具有非 均震的纳米构件，可用多种技术进行人工组装。 4 ) 2 0 l o 年后为第四阶段，分子纳米系统阶段。 以上提法主要从工业和商业角度考虑。随着科学和技术的进步，上述各阶段的许多 目标在实验室己提前实现。饲如，原颈言2 5 年出现的单电子晶体管| s 川，旱已在许多 实验室研制成功，其工作温度可接近室温，d n a 的组装、生物芯片【0 j 都已进入实用阶 段。 二十一世纪正进来以知识经济为主旋律帮推动力的一场新的工业革命。纳米科技的 发展，使得人类能够从物质的本质上着手改造客观世界。它对人类社会的发展、环境的 改造、国家安全和人类生活质量的提高所产生的影响是前所未有的。纳米技术已经在人 类社会中扮演重要的角色，它与信息技术、生物技术并称为2 l 世纪社会经济发震豹三 大支柱，也是当今世界大国争夺的战略制高点。2 0 0 0 年3 月，美国政府推出促进纳米技 术繁荣的报告，明确指出：启动纳米技术促进计划，关系到美国2 l 世纪的竞争力。从 前瞻性和战略性的高度发展纳米技术产业，全方位向高技术和传统行韭渗透和注入纳米 技术是刻不容缓的，是关系到我国在未来的世界政治经济竞争格局中，能否处于有利地 豫的关键问题。纳米技术的发展，将为我国的各项产业带来掰的机遇，并有可能在若干 年中对国民经济的进一步发展起到推动作用。 1 1 2 世界各国纳米技术发展与应用状况 纳米技术已经成为世界科技发展的潮流与各国经济的希望，2 0 0 1 年美国制定了“国 家纳米技术创新计划”，并投资4 9 7 亿美元，2 2 年美国政府将“豳家纳米技术创新讲- 划”实施机构改为政府的一个部门，并继续投资5 1 9 亿美元用于纳米科技的发展。2 0 0 3 年，美国总统布什提融“国家纳米技术创新计划”预算书，投资金额再创新高，达到6 7 9 彳乙美元。从预算书来看，美凋的纳米材料豹投资主要还是在基础科研部分，国家科学基 金会占了2 2 1 亿美元。优先发展的课题有：( 1 ) 发展有效的纳米产业：( 2 ) 生化放射、 易爆物质的搽测与防护；( 3 ) 新一代工业劳工的教育与训练；( 4 ) 纳米科技产业革命的 第一章绪论 劳资关系与政策。美国纳米科技魏投入不瞬加大，是对缝米技本未来发展豹漤力和影响 力的高度认识、正确判断与选择，为美国的本世纪前几十年社会经济的快速发展奠定了 基础。 随着美国积极发展纳米科技，世界各豳，特别是欧洲备潮也相继开始大力发展纳米 科技。2 0 年1 2 月1 8 狙欧美高峰会谈将加强欧美辩技合侮作为议题，双方共同认定纳 米科技是重点发展科技。 欧疆发展纳米科技主要是逶过“欧盟磷发基金会”的第五、第六框絮来加快发展的。 “第五框架专案”计划从1 9 9 8 年至2 0 0 2 年，投资金额高达1 4 9 6 亿欧元。第五框架专 案豹瓣的是发展垂己的纳米科技，并且重点楚发展纳米生物科技、纳米电子元件等项爨。 欧盟为了加强与美国的党争，成立“国际协会”并结合独联体的科技力量，熏点发展纳 米移技。2 0 0 1 年2 月2 1 日“致盛研发基金会”予“第六框架”计划中，决定2 0 0 2 年薰 2 0 0 6 年投资纳米科技的经费为1 3 亿欧元。欧盟通过第五、第六框架确定了纳米科技发 展曛标。资金上船大投入，技术上联合俄罗袭逐步牲大自己豹纳米科技研发力量，双达 到和美国抗衡的地步。 嚣本发展绣米科技豹对超，死乎与纳米发震变辩步，荠已经取褥了良好豹成绩。酮 本在1 9 8 1 年由尖端技术探索研究计划中启动第一个超微细粒子的五年研究计划，1 9 9 2 年习本又疟动了与纳米按零棰关的“覆子与分子终极衬翅技术计翔”，从2 1 年起实旌 了为期7 年的“纳米材料工程”计划，预计每年的计划投资额为5 0 亿r 元。日本政府 很早成立“科学促进会”，1 0 年预算中就存4 5 亿美元壤于纳米科技磅究。最近日本又 加快了发展纳米科技的步伐，2 0 0 2 年日本政府用于纳米科技的研究经费达到了2 6 亿美 元，建立了“绣米耪料中心”，该中心集中了数百像专家送行纳米榜辩的开发应用磷究， 并与企业和大学合作推广应用。日本政府资助纳米科技主要通过“通产省”、“科技厅”、 “文部省”三个穰构。其中“群技斥”和“文部省”主要资助各大学与国立磷究瑟的纳 米科技发展计划。如此可见曰本发展纳米科技的决心相当大，日本政府看好纳米技术， 认为这楚重振翻本经济的极好撬会。 我国对纳米科技的熏要性已有较高的认识，并给予了一定的支持。我国除已有国家 级的中蓄国家纳米技术发展缀要戮外，各级政府积级参与规划，酲嚣已有十余个省 ( 市) 制订了省级纳米规划。如京、滓、沪、东北三省，江、浙、皖、粤、湘、鄂、陕、 晋、等省市筠有相应的规翔安排。科技部、国际自然丰幸学基金委员会、中嚣科学院等部 门设立了攀登计划项目和相关的熏点、重大项目。去年科技部又启动了有关纳米材料的 浙江大学博士学位论文( 信息科学与工程学院光学工程) 国家重点基础研究项目。从受资助项目来看，我国的研究力量主要集中在纳米材料的合 成和翻备、扫描探针显微学、分子电子学阻及极少数纳米技术的应用等方面，由于条侔 所辙，研究工作只能集中在硬件条件要求不太高的技术研究领域。虽然我国科学家在纳 米碳管、纳米材料【1 1 1 6 l 的若干领域已取得一些很出色的研究成果，但国家在纳米科技领 域的总体水平与美、日、欧相比，还存在很大差距。这儿年，我国以纳米材津毒及其应用 为鼹标豹企业，雨后春笋般豹涌现。1 9 9 5 1 9 9 7 年，我国从事纳米材料生产开发的企业 约落2 0 多家，1 9 9 7 1 9 9 9 年，增加到7 0 多家，到2 0 0 0 年7 月又增加到1 0 0 多家，截 止捌2 0 0 1 年5 月底猛增到3 2 0 多家，其中叛“纳米”字样注册的企业近6 0 家，社会投 入资金约3 0 亿元。已有5 0 家上市公司涉足纳米科技领域，这将为纳米技术的发展筹集 更多的社会资本开辟更广阔的渠道。我国纳米企业在地域分布上，己凝本形成以北京和 天津为中心的京洋地区，以上海为中心的长江三角洲地嚣和以广深为中心的珠江三角洲 地区的三大纳米楗料和纳米技术产业带，这三个地区豹纳米企业数占全国8 0 左右。 1 2 扫描探针显微镜技术简介 扫描探针显微镜( s c a i l i i i n gp r o b em i c r o s p y ，s p m ) 是用来探测表面性质的仪器家 族，是由b i 船瑭裙r o h r e r 等人于1 9 8 2 年发耱豹搦摇隧遵最微镜旧( s c 猢吨t u 腑畦i n g m i 啪s c o p y ，s t m ) 发展而来。纳米科技的不断成长和发展是与以s p m 为代表的多种 纳米尺度的研究手段的发展密不可分的。s p m 不仅能够以纳米级原子级空问分辨率在 真空、大气或液体中来观测物质表谢鞭子域分子豹几露分布和态密度分布，确定物体局 域光、电、磁、热和机械等特性，而且具有更广泛豹应用，如刻划纳米级微细线条【1 眦1 1 、 实现原子和分子的操纵f 2 2 2 6 1 。当然，指示表面形貌一真是它的主要应用目的f 2 7 。3 3 】。s p m 是我 】这个时代中最有力的袭面测量工兵，其溯董表瑶待征的尺寸褥以从溅予间距到 l 微米之间变化。 1 2 1 扫描隧遘显微镜技术 1 9 8 2 年，圈际商业机器公司( 1 b m ) 苏黎世研究所的g e r bb i 胁i g 和h e i n r i c hr o h r e l 及其同事们成功研制采世界、第一鑫扫描隧道显微镜，它使人们第一次能够直接鼹察到 物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。1 9 8 6 年， 4 第一章绪论 b i n n i 芷和r o l l r e r 因此获得诺贝尔物理学奖。 s 1 m 是继离分辨透射电予恩微镜和场扫描显微镜之飚，第三种以原子尺度观察物质 表舔结构的显微镜，萁分辨率水平方向可达o ，0 4 姗，垂赢方向可这o o l n m 。运用钳m 不仪可以直接观测到材料表面的单个原子和原予在表面上的三维结构网像，而且还埘以 在观测材料表面原予结构的同时锝到材料表面的扫描隧道谱，从而研究材料表面的化学 结构相电子状态。s 饿霹以在真空、大气和液体等环境中工作，它可以蕊察许多只能 在溶液中保持活性的生物样品。s i m 的工作温度可以从绝对零度到上千摄氏度，这也 是以往任何一种攫微技术都无法实现的。近年来，借助予s 嘲系统，不但使人们豹视 野可直接观察弼物质表面的原予及其结构，并可以进而分析物质表霞的化学和物理性 质，它还使得人们可以在纳米尺度上对材料进行加工处理，甚至可以操纵单个原子。这 一特定的应用将会使入类对微米尺度的加工技术跨入到纳米尺度和原予尺度，成为未来 器件加工和分予功害i 的一个熏要手段。剩用s 1 m 进行潦子表面修饰和单原子操纵，使 得原子尺度器件的应用成为可能，因而具有十分广泛的应用前景。它已经在制作单分子、 单瓤子和单电予器件，大幅度提高信息存储爨，生命科学中的物种再遗以及材料科学中 的新原子结构材料的刨制等领域中都有徭深刻的应用背景。例如运用尊厥子操纵可以用 来实现两种不同方式的单原予存储器。一种怒用表面上单原子的空穴作为一个比特米存 储信息。在单原子操级中从表蕊上移走单个原子雨在表瓣上加工出单瓤子空穴豹结祭可 以用来写入信息；用单原子修补表面缺陷既w 戬用来删除已写入的信息又可以用来清楚 表面+ 上二原有的原予缺陷空穴所形成的信息噪声。另一种是用放置到表谳上的单个原子作 为一个比特来存储信息。在单缀子操纵中翔表箍放置单个原子的结果用来写入信息，雨 施加原子后再移走的结果则既可以用来删除被写入的信息又可以用来清除沉积在表面 吸附原子上面的原予所形成的信息噪声。如果能用单个原子作为一个比特来存储信息， 其存储容量相当大。计算表明，一块箍积为l c m 2 的s i ( n 1 ) 一7 7 表面将可以存储约1 0 1 5 比特豹信息，是1 3 m b 磁盘存储器的存储量的7 6 9 0 0 万倍。这是目前我们无法想象的 超级容量。 s t m 的出现为人类认识和改造微囊世界提供了一个极其重要豹工具。随着实验技术 的不断完善，s 1 m 将在单原子操纵和纳米技术的其他诺多领域中得到越来越广泛的应 用。s i m 在纳米技术中的应用必将极大促进纳米技术不断发展。可以说，s 1 m 的出现 标杰澍纳米技术研究的一个最熏大转折，甚熏可以说标志簧纳米技零磷究昀正式起步。 瀵汪大学i 薄士学位论文( 信惠辩学与工程学院光学_ ：_ l 二程) 1 2 2 原子力显微镜技术的新发展 。原子力显微镜技术 扫描探针显微镜是用来探测表面性质的仪器家族，是由b i n n i g 和r o h r e r 等人于1 9 8 2 年发明的s 1 m 发展黼来。虽然s p m 在目前可以测量许多表面的其它性质，但是指示表 面形貌直是它的主要应用目的。 随着1 9 8 6 年原子力显微镜( a t o m i cf 0 r c em i c r o s p y ，a f m ) 的出现，相继出现 了许多搿s t m 和斛m 技术相似的新型扫攒搽针显微镜。s p m 镜群的出现，极大撼拓 展了窀们的应用空悯。以a f m 为代表的扫描力髓微镜( s c a n 血n g f o f m i c r o s c o p e ，s f m ) 是通过控制并检测针尖一样品间的相互作用力，例如原子问斥力、摩擦力、弹力、范德 华力、磁力和静魂力等来分析研究表面性质的。近年来，s f m 正在定检测材料不同缎分 的方向努力，并出现了力调制( f o r c em o d u l a t i 舳) 技术及相位成像技术，这对于人们在 极高的分辨率上研究物质的组成提供了一种强有力的手段。 鼹前a f m 在擞界上的普及速度远远超过s 枞，因为s 珊不能测定绝缘材料。丽 a f m 不但具有与s 1 m 同等高的分辨能力，还能直接测定包括绝缘材料在内的各种物磺。 由于s 1 m 能够逐个地识别原子，所以作为显微镜来说是划时代的，但是不能直接测定 绝缘物质是它的最大缺煮。使用s 1 m 测定绝缘物质时，必须在样品表褥覆盖上一屡导 电薄膜，这时由于导电膜使样品裘面发生了微细形状的变化，所以观察结果不能完全反 映出实际形状。如何正确地反映出绝缘物质样品表面的真实情况，是自s 1 m 问世以来 最大的繇望，西艘m 豹出现裁完全能够满足这些要求。囊于自然界中移在的物质以及 工业产品中有很多是绝缘材料。所以a f m 比s t m 有着更广的应用范围。a f m 的实用 化是物质表面计测手段的重大革新。 2 原子力显微镜现状 根据军事医学科学院国家生物送学分析中心2 0 0 2 年对国内外6 家生产娜m 的公司 的产品调研，发现各公司的产晶备其特点： 德国t r i p l e 一0 公司产品：b e n m a d 2 0 0 0s p m 。其特点：1 、能与近场光学显微镜联合 应用；2 、具有m o v i em o d c ，即连续影视式存储图像及显示功能；3 、具有液体池，可 对生物分子闯的力谱线进幸亍记录及分析。 6 第一犟绪论 美国d i g “a li n s m l m e n t s 公司( d i ) ：n a l i o s c o p ei vs p m 。其特点：1 、扫描速度高， 每幅图像的数据点可达1 0 2 4 1 0 2 4 ；2 、具有力容秘( 翔f c c 、b k m e ) 功毙，对力谱线 的记录和分析灵敏度好；3 、世界最早嫩产s p m 的j 一家。其产品性能比较稳定，功能比 较齐全。 美国知伯l e c u l 封l m a g 糠g 公司( m 1 ) ：p i s p m 。其特点：l 、有滠度调节装景系统； 2 、有供液装鬣系统；液体池开口向上，不易造成扫描器的损坏。 日本精工公司sp ：a 4 0 0 s p m 。其特点：1 、自动控制探针与标本的接近，激光调节系 统调节方便；2 、做工耩良，标本的安装也 0 较容易。 日本岛津公司：9 5 0 0 j 2s p m 。其特点：1 、功能比较齐全：一台9 5 0 0 j 2 s p m 基本上 具备了各种s p m 功能；2 、操作简便，探针安全性赢；3