納米（mǐ）計量技術及分子測量機

　　隨著科技的發展，微電子學、材料學、精密（mì）機械學、生命科學和生物學的研究已深入到原子領域。為適應這一發展，迫切需要（yào）具有計量意（yì）義的納米、亞納米精（jīng）度測量係統，因此，從上世紀八（bā）十年代開始，逐（zhú）步（bù）誕生了（le）一（yī）門嶄新（xīn）的學科――納米計量學。

　　1982年，IBM蘇黎世研究實驗室的德國物理學家賓（bīn）尼希和瑞士物（wù）理學家羅雷（léi）爾設計了世界上第一台掃描隧道顯微鏡(STM)，並於1986年獲得諾貝爾物（wù）理學獎。STM的（de）原理利用了物理學上的隧道（dào）效應及隧道電流，它（tā）用一個極細的探針(針尖為單個原子)接近（jìn）試件（jiàn）表麵，並在探針與試件之間施加偏（piān）壓，當兩者接近到納米級距離時即產生隧道電流，其大小與距離（lí）成反比。STM在計量中有兩種應用方法：一種是通過反饋保持隧道電（diàn）流為定值，用於檢測試件表麵形貌；另一種是通過測量隧道電流的大小來表征探針與試件間的距離。

　　繼掃（sǎo）描隧道（dào）顯微鏡之（zhī）後（hòu），相（xiàng）繼出現了一係列測量尺度可達到原子量級的檢測技術與儀器，如（rú）原子力顯微鏡(AFM)、掃描近場光學顯微鏡(SNOM)、光子掃描隧道（dào）顯微鏡(PSTM)等（děng）。這些先進技術的應用，使人類有史以來第一次能夠觀察到單個原（yuán）子在物質表麵的排列狀態，並成功（gōng）實現了原子搬遷。

　　但是，這些儀器隻是“觀（guān）察”到分（fèn）子（zǐ）的內（nèi）部結（jié）構，沒有（yǒu）量的概念。在計量學實際應用中（zhōng），還必須解決溯源問題，建立計量標準，即需要提（tí）供一種可溯源的、具有納米（mǐ）量級精度的長度測量手段。上世紀九十年（nián）代以來，各國（guó）科學家對（duì）此進行了大量研究。中國計量科學研究院與德國PDB合作研製了可自校準和實現絕對測量的原子力顯微鏡、差拍F－B幹涉儀等，解決了單維尺寸的溯源和測量問題。1994年美國NIST研製成功第一台三維（wéi）分子測量機(MolecularMeasuringMachine)，它實際是一（yī）台超高精度的三坐標測量機，測量範圍為50mm50mm12mm，空間（jiān）測量（liàng）不確定度為1nm。該測量機采用能夠溯源的超高分辨率外差激光幹（gàn）涉儀作為測量係統，幹涉儀（yí）采用光學8倍頻和相位100細分，使分（fèn）辨率達到0.075nm。分子測量機的探針分為兩種：低分辨率測量時采用共焦光學顯微鏡；高分辨率測量時采用隧道顯微鏡（jìng）或原子力（lì）顯微鏡。

　　分子測量機不但解決了計（jì）量溯源問題，實現了真正意義的納米測量，而且能夠操作一簇分（fèn）子和原子(甚至單個原子)，可應用於微型機（jī）械、納米管、納米（mǐ）材料處理等（děng）技術領（lǐng）域，是納米科技研究和應用不可缺少的重要手段。