1、納米測量方法納米測量方法多波長干涉測量法適用于納米級微間距的實時動態非接觸測量。納米級間隙之間的空氣形成一層具有光學特性的空氣薄膜。該空氣薄膜的光強反射率是關于入射光波長和薄膜厚度的函數。在多波長干涉法中,以包含多種波長的復合入射光照射薄膜,入射光被空氣薄膜分成2 部分,一部分穿過薄膜,另一部分則被反射回來。利用一種特殊的方法測得該薄膜的光強反射率,進而根據薄膜厚度與入射光波長和相應的光強反射率之間的函數關系建立方程組。通過對方程組求解,計算出薄膜的厚度。多波長干涉測量法能夠避免移相干涉法中移相器所帶來的誤差,并且可根據不同波長的光波測出的結果相互校正,提高了測量精度。如上圖 所示, 由白光源

2、發出的光束經分束片1反射后垂直入射到石英玻璃片, 在石英玻璃片下表面分成2 束,其中一束穿過空氣薄膜,從被測表面反射回來, 并和從參考面反射回的另一光束疊加在一起,發生干涉。干涉后的復合光經分束片2 、3 分成3 束,分別經不同波帶的濾波片1 、2 、3 選頻后, 可得到波長分別為1 、2 和3 的單色光干涉圖樣。PIN 光電管將干涉后的光強轉化為電信號,經信號調理電路處理后,再由數據采集裝置轉換成為數字信號送入計算機。應用程序再根據一定的算法便可以計算出空氣薄膜厚度。由于多波長干涉法是以光波波長作為量測尺度,而且避免了普通相移干涉法中移相器所帶來的誤差,并采用了不同波長干涉測量結果間的相互誤

3、差校正等手段,所以具有很高的測量精度和可靠性,非常適合工業應用中自動快速測量的場合。通過分析實驗可知,對測量精度有較大影響的因素主要有:干涉光的穩定性、干涉光頻譜寬度、光電轉換與信號調理電路的信噪比、數據量化誤差等。在測量系統的應用研發階段,需要根據實際測量對象做大量的實驗,以掌握其它相關因素對測量精度的影響。1 MEMS 器件的微觀形變的測量2 超光滑表面粗糙度和平面度的測量3 標準量塊的檢定4 微弱振動的測量5 硬盤磁頭飛行高度的測量6 高硬度材料的硬度測量圖1 邁克爾遜干涉儀 圖2 實驗裝置圖圖3光路原理圖1x 1x 圖4 精確測量圖掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡（Scanning Tun

4、neling Microscope，STM）。它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態，并能夠研究其相關的物理和化學特性。因此，它對表面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。 STM實驗總圖 STM的基本原理是量子的隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描，并根據量子隧道效應來獲得樣品表面的圖像。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近（大約為0.51.0nm），所以它們之間的電子云互相重疊。當在它們之間施加一偏值電壓VB（VB通常為2mV2V）時，電子就可以因量子隧道效應（Tunneling Effect）

5、由針尖（或樣品）轉移到樣品（或針尖），在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。基本原理此隧道電流I可以表示為： I VB EXP（-1/2s）這里，常數，在真空條件下約等于1；為針尖與樣品的平均功函數；s為針尖和樣品表面之間的距離，一般為0.31.0NM。由于隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數關系，所以，電流I對針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm，隧道電流I就會減少10倍。STM有兩種工作模式，恒電流模式和恒高度模式 恒電流模式恒電流模式是在STM圖像掃描時始終保持隧道電流恒定，它可以利用反饋回路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷控制針尖在

6、樣品表面上掃描時，從反饋回路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的信息（該信息反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子圖像。由于恒電流模式時，STM的針尖是隨著樣品表面形貌的起伏而上下移動，針尖不會因為表面形貌起伏太大而碰撞到樣品的表面，所以恒電流模式可以用于觀察表面形貌起伏較大的樣品。恒電流模式是一種最常用的掃描模式。恒高度模式則是始終控制針尖的高度不變，并取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的信息（該信息也反映樣品表面的起伏），來繪制樣品表面的原子圖像。由于在恒高度模式的掃描過程中，針尖的高度恒定不變，當表面形貌起伏較大時，針尖就很容易碰撞到樣品。所以恒高度模式只能用于觀

7、察表面形貌起伏不大的樣品。 1具有原子級高分辨率，STM在平行和垂直于樣品表面方向的分辨率分別可達0.1nm和0.01nm，即可以分辨出單個原子 2可實時再現樣品表面的三維圖象，用于對表面結構的研究及表面擴散等動態過程的研究 3可以觀察單個原子層的局部表面結構，因而可直接觀察到表面缺陷、表面重構、表面吸附體的形態和位置STM具有如下獨特的優點：具有如下獨特的優點： 4可在真空、大氣、常溫等不同環境下工作，樣品甚至可浸在水和其它溶液中不需要特別的制樣技術并且探測過程對樣品無損傷這些特點特別適用于研究生物樣品和在不同實驗條件下對樣品表面的評價，例如對于多相催化機理、超導機制、電化學反應過程中電極表

8、面變化的監測等 5配合掃描隧道譜（STS）可以得到有關表面電子結構的信息，例如表面不同層次的態密度、表面電子阱、電荷密度波、表面勢壘的變化和能隙結構等 6利用STM針尖，可實現對原子和分子的移動和操縱，這為納米科技的全面發展奠定了基礎不足之處STM也存在因本身的工作方式所造成的局限性STM所觀察的樣品必須具有一定的導電性，因此它只能直接觀察導體和半導體的表面結構，對于非導電材料，必須在其表面覆蓋一層導電膜，但導電膜的粒度和均勻性等問題會限制圖象對真實表面的分辨率然而，有許多感興趣的研究對象是不導電的，這就限制了STM應用另外，即使對于導電樣品，STM觀察到的是對應于表面費米能級處的態密度，如果

9、樣品表面原子種類不同，或樣品表面吸附有原子、分子時，即當樣品表面存在非單一電子態時，STM得到的并不是真實的表面形貌，而是表面形貌和表面電子性質的綜合結果 激光雙法布里珀羅干涉(DFPI) 納米測量激光雙法布里珀羅干涉(DFPI) 納米測量系統裝置如圖1 。兩個法布里珀羅干涉腔FP1 、FP2 組成類似邁克爾遜干涉儀的兩個臂,其中FP1 是測量腔,FP2 為參考腔。將一個對微弱力極敏感的微懸臂的一端與FP1 腔的一側固定聯接,另一端固定有一微小探針。該系統的工作過程為:激光束經分光器分成兩束分別至FP1 、FP2 ,形成雙法布里珀羅干涉; 開始測量時,給微懸臂施加振動信號,其振動頻率f 恰好高于微懸臂的最低機械共振頻率f n ;把這種受迫振動的探針調節至被測樣品表面一定距離(通常220nm) ;調節FP1 、FP2 干涉腔長,使其輸出穩定的間隔為自由光譜范圍的兩個光脈沖信號;設開始測量時探針位于位置1 ,如圖2 所示,當樣品隨工作臺移動,探針位于位置2 (或位置3) 時,由于探針與樣品表面間距離的改變而使它們之間的作用力發生變化,導致微懸臂的振幅發生相應變化。圖2若保持微懸臂的振幅不變,則探針應向樣品表面方向(或背離樣品表面方面) 移動d ,這個d 的移動量是通過控制FP1 的伸長(或縮短) 來實現的。通過雙F P