纳米校准与测试——基于纳米测量机的试验性研究

主要介绍了基于纳米测量机的高阶梯差台阶标准样板和深沟槽深度标准样板计量测试和校准工作研究,包括在NMM上对两种标准样板进行计量测试和校准、在NMM上安装不同的探测传感器时纳米级深度标准样板和台阶高度样板的校准比较、以及在研航空基金项目"在NMM上实现小型非球面的坐标扫描轮廓测量方法".     

基于AFM硅表面局域阳极氧化的特性研究及纳米计量标准样板的制作

基于原子力显微镜(AFM)在硅(Si)表面进行局域阳极氧化的技术,以其成本低、易加工等优势被广泛应用于各种纳米元器件的制造.本文基于AFM在Si表面进行局域阳极氧化来制作纳米计量标准样板,首先分别在接触模式和轻敲模式下进行实验,定量分析了偏置电压、移动速率和刻蚀方向等主要参数对所得纳米线尺寸的影响,从而得到标准样板制作的最佳加工参数:在探针针尖电压为-7 V、移动速率为0.3μm/s、Z Distance值为-45 nm时,可以产生稳定的标准样板结构;同时两种模式下对纳米氧化线的影响趋势相同.最后在此最佳参数下,利用AFM在Si表面进行局域阳极氧化,加工得到了一维线光栅、二维光栅和圆形光栅结构.     

基于AFM氮化硅探针刻蚀方法制作聚碳酸酯纳米光栅

基于原子力显微镜(AFM)探针的纳米机械刻蚀技术以其成本低、分辨率高的优势被广泛应用于各种纳米元器件的制造中.为了得到最优的光栅结构,首先通过单次刻蚀实验定量分析了刻蚀方向、加载力和刻蚀速率等3个主要加工参数对所得纳米沟槽形貌和尺寸的影响,给出了普通氮化硅探针对聚碳酸酯(PC)的加工特性及加工效率.然后通过改变沟槽间距(100~500 nm)得到了不同周期的纳米光栅结构,并确定了这种探针与样品的组合对间距的要求及最佳加工参数:沿垂直于微悬臂长轴向右刻蚀,加载力2.3μN,刻蚀速率2.6μm/s.最后利用该技术对实验室已有原子光刻技术所得周期为213 nm的一维Cr原子光栅结构进行了复制加工,得到了均匀的213 nm一维光栅,证明这种基于AFM探针的纳米机械刻蚀技术可被广泛应用于纳米加工.     

集成AFM测头的纳米测量机用于台阶高度的评价

利用纳米测量机(NMM)和原子力显微镜(AFM)实现了高精度的台阶高度评价,该系统的测量范围可以达到25 mm × 25 am×5 mm.文中描述了NMM和AFM的工作原理,说明了NMM的高精度定位性能,系统利用NMM实现x、y方向的扫描,AFM测头只是作为零点传感器,通过将AFM的悬臂梁反馈控制信号引人到NMM的数字信号控制器中,NMM实现在:方向的辅助测量,这种测量模式减小了AFM的PZT扫描器固有特性对测量的影响.根据ISO 5436-1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的标准偏差为0.52 nm.     

纳米光栅栅距的精确测量与nano4国际比对

对Littrow衍射方法测量纳米光栅的基本原理、构造及其安装误差进行了分析研究,并利用所建立的测量装置参加了国际计量技术委员会长度咨询委员会组织的一维纳米光栅国际比对.比对结果证明了该测量系统具有优良的计量性能,能够用于纳米光栅栅距的检定校准.     

基于Cr原子光刻技术的nm光栅间距比对测量定值方法研究

建立了一种基于Cr原子光刻技术的nm光栅间距比对测量定值方法。以国家自溯源光栅标准物质来建立标准样板校准溯源体系的可行性为基础,保障测量仪器更高精度、可溯源性;设计并制备了节距长度有序递增的多周期电子束直写光栅样板,满足可适配于不同分辨率的nm测量仪器的需求,名义节距值分别为200、400、600、800、1 000 nm。经国家自溯源光栅标准物质比对后的AFM完成对nm栅格标准样板的测量与表征,实验表明：电子束直写制备的光栅标准样板均匀性水平1 nm,相对不确定度低于2%,光栅均具有良好的均匀性、准确性以及稳定性,验证了研制的光栅标准样板能作为一种理想的实物标准运用于nm几何量量值溯源体系。     

小型自感应原子力显微镜测头及其标定

设计了一种小型轻敲式自感应原子力显微镜(AFM)测头以实现微/纳尺度下的几何量测量.轻敲式测头采用石英音叉式自感应探针,通过自身的电信号输出检测悬臂梁的振幅变化,无需额外的光学传感器.设计了测头的微弱自感应信号放大电路,并补偿音叉寄生电容对测量的干扰.机械结构紧凑便于将测头固定于光学显微镜下观察测量情况,同时屏蔽外界的干扰.利用显微激光多普勒测振系统,标定了测头机电耦合系数为145 nm/V,由此可以计算测头工作频率下悬臂梁的振幅.搭建了以纳米测量机(NMM)为高精度定位平台的测试系统,利用该系统对测头进行进/退针实验,标定测头的灵敏度为0.47 nm/mV,NMM内置的干涉仪保证标定直接溯源至"米"定义.实验表明测头的非线性误差小于1%,测量范围在百纳米级.     

我国纳米计量打破依赖国外样板

<正>据媒体介绍报道,由中国计量科学研究院、同济大学和国防科技大学联合组成的研究小组,经过3年的科技攻关,在国内首次成功研制出一维铬原子沉积纳米光栅样板,并于通过国家质检总局科技司组织的验收鉴定。其技术指标达到国际先进水平,突破了我国纳米技术产业发展的技术瓶颈。     

微型激光干涉仪应用于纳米测量机

本文介绍德国SIOS公司的微型激光干涉仪在德国Ilmenau技术大学纳米测量机 (NMM )研制过程中的应用。简要介绍微型激光干涉仪的工作原理 ,重点论述NMM如何在 2 5mmx 2 5mmx 5mm的空间范围内实现分辨力为 1.2nm的三维测量     

基于双反馈模式的大范围自感应AFM测量系统

为了提高原子力显微镜（AFM）的测量范围,设计了一种基于双反馈测量模式的大范围自感应原子力显微镜系统,测量系统中有两条反馈回路:一条反馈回路由压电陶瓷与AFM测头组成,动态响应较快的压电陶瓷位移台的运动量可以表征被测样品表面的高频信息;另一条反馈回路由压电陶瓷位移台和纳米测量机（NMM）的反馈控制器组成,利用压电陶瓷位移台的位移信号控制NMM运动,NMM的mm级z向测量范围使得被测样品较大变化范围的低频轮廓信息很容易地被表征出来。使用本系统对平面样品和一维栅格进行了测量实验,实验结果表明采用双反馈的测量模式的AFM测量系统能够有效地表征被测样品的低频轮廓信息和表面高频信息,测量范围能够达到mm级,纵向分辨率达到nm级,具有良好测量重复性。     

应用纳米压痕法测定柱状纳米材料的力学特性（英文）

纳米压痕法在确定纳米结构材料,特别是具有较大高宽比的一维纳米结构/对象的力学特性时,若纳米结构沿压入方向的等效刚度远小于针尖-样品的接触刚度,应用常规数据分析(Oliver-Pharr)模型会导致较大的测量偏差.对常规Oliver-Pharr解析模型进行了推广,以补偿一维纳米材料等效刚度对测量结果的影响,进而提出了适用于此类测量对象的通用纳米压痕分析模型,并应用于分析柱状微纳米结构的准静态压痕测量数据.实验中应用原子力显微镜(AFM)定量测量了湿法刻蚀获得的一维单晶硅柱状结构的几何参数(包括硅纳米柱的直径和长度).实验结果表明,应用常规模型分析对较大高宽比的硅纳米柱(直径386 nm,长500 nm)的压痕数据会导致大于50%的偏差.应用修正模型分析实验数据时,测量结果不受被测对象几何参数的影响,因而可以有效提高应用纳米压痕法对微纳米结构材料,特别是一维材料的测量精度.     

新型纳米分辨率位移定位平移台的研制

为克服已有压电驱动器存在的结构及控制系统复杂、定位行程小等缺陷,利用压电陶瓷的逆压电效应设计并制作了一种新型的压电纳米步进驱动器,建立光栅测试系统对这种压电驱动器的动态性能进行了测试.将压电纳米步进驱动器与电磁伺服马达耦合,设计新颖驱动结构,利用微机通过步进运动控制卡统一控制,实现大范围一维纳米分辨率位移定位.系统样机解决了所研制压电纳米步进驱动器双向运动、实用定位等问题.位移定位分辨率为50 nm,定位行程为100mm,纳米分辨率定位最大速度为0.6 mm/s.     

用AFM探针诱导局域氧化工艺制备纳米样板的研究

本文介绍了纳米测量系统的组成和纳米样板的研究现状，讨论了AFM探针诱导局域氧化工艺的原理及其影响参数。用该方法进行了一维纳米结构样板的制备，并对实验结果进行了分析。     

用于纳米级表面形貌测量的光学显微测头

为了满足纳米级表面形貌样板的高精度非接触测量需求,研制了一种高分辨力光学显微测头。以激光全息单元为光源和信号拾取器件,利用差动光斑尺寸变化探测原理,建立了微位移测量系统,结合光学显微成像系统,形成了高分辨力光学显微测头。将该测头应用于纳米三维测量机,对台阶高度样板和一维线间隔样板进行了测量实验。结果表明：该光学显微测头结合纳米三维测量机可实现纳米级表面形貌样板的可溯源测量,具有扫描速度快、测量分辨力高、结构紧凑和非接触测量等优点,对解决纳米级表面形貌测量难题具有重要实用价值。     

采用计量型扫描力显微镜校准微纳米标准样板

为了建立质量保证体系,微米和纳米样板至今仍被广泛地应用于校准微纳米尺度的测量仪器中．介绍了应用由德国联邦物理研究所开发研究的、测量范围为25 mm×25 mm×5 mm的计量型扫描力显微镜(M-LRSFM)的校准方法．上述计量型扫描力显微镜配置有三个零拍的激光干涉仪,可分别测量沿x、y、z三条轴线方向的位移,因而其测量值可直接溯源于“米”定义．此种M-LRSFM能够校准横向的微纳尺度的结构尺寸,诸如阶梯高度、一维和二维光栅、镀层厚度、线宽、微纳尺度的表面粗糙度等．作为实例,介绍了一种横向样板的校准程序及获得的校准结果．研究表明这种方法适合于校验扫描电子显微镜(SEM)的放大倍率．     

纳米样板的制备及其精度分析

介绍了纳米样板的研究现状及制备工艺，特别对扫描探针显微镜(SPM)表面局域氧化反应工艺进行了详述；分析了原子力显微镜(AFM)探针诱导局域氧化工艺的原理及其影响参数，原理为高度局域化的电化学反应，影响参数包括探针上所施加的电压、扫描速度、探针曲率半径、相对湿度以及氧化物厚度等；用该方法分别制备了5条栅线和7条栅线的一维纳米结构样板，并对7条栅线的纳米结构样板的精度和不确定度影响因素进行了分析。     

典型纳米结构制备及其测量表征

针对纳米器件中的典型几何特征,制备了3种纳米结构,采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等测量工具对所制备的纳米样板进行了测量、分析和表征。提出转换薄膜厚度为线宽的公称值、基于多层薄膜淀积技术制备纳米宽度结构的方法,制备出了具有名义线宽尺寸分别为20 nm、25 nm、35 nm的纳米栅线结构。用离线的图像分析算法对所制备的纳米线宽样板的线边缘粗糙度/线宽粗糙度(LER/LWR)以及栅线线宽的一致性进行了评估。实验表明所制备纳米线宽样板的栅线具有较好的一致性,LER/LWR值小,且具有垂直的侧壁。采用电子束直写技术(EBL)和感应耦合等离子体刻蚀(ICP)制备了名义高度为220 nm的硅台阶样板。实验表明刻蚀后栅线边缘LER/LWR的高频成分减少,相关长度变长,均方根偏差值(σ)增大。采用聚焦离子束(FIB)制备了纳米单台阶和多台阶结构,并对Z方向的尺度与加工能量之间的关系进行了分析。     

纳米颗粒的粒径测量方法

为了实现扫描电子显微镜(SEM)对纳米颗粒粒径的准确测量,研究了一种SEM放大倍数校准和光栅间距测量的方法;在SEM的不同放大倍数下对光栅纳米结构样板成像,运用MATLAB软件对显微镜图像进行灰度处理并读取灰度图像的亮度值数据,通过确定顶线、基线、底线位置,有效消除成像质量及数据处理等的误差,准确确定质心横坐标,采用质心算法求取平均光栅间距,通过与光栅间距标称值比较计算校准系数和校准误差;为验证放大倍率校准结果的可靠性,对纳米颗粒粒度标准物质进行测量。实际测量的平均粒径与标准值一致,表明该校准方法准确可靠,可有效避免图像质量和人为因素对测量结果的影响,达到对纳米和亚微米颗粒粒径准确测量的目的。     

外腔半导体激光器阵列波长稳定的实验研究

自由运行的半导体激光器列阵输出激光谱线较宽、中心波长易漂移.为此,本文采用体全息光栅(VBG)构成外腔半导体激光器阵列(EcLD)系统,利用体光栅能够稳定波长、压窄线宽的特点,从而克服上述缺点.实验表明:采用了VBG外腔反馈后,在最好的情况下,LDA的输出光谱宽度从自由运行时的2.3 nm压窄到了O.96 nm;在测试的环境温度变化范围内(14～3l℃),LDA的峰值波长稳定在体光栅布拉格波长808 nm处,输出光的线宽维持在1.14 nm之下;并且,在测试的偏置电流变化范围内(7-13A)峰值波长和谱宽无明显变化.     

一维ZnO-Cu2O核壳纳米复合结构的制备及光催化性能

利用光催化材料可以将水体中含有的有机染料有效地降解和去除,因此制备低成本和高效率的光催化材料成为了当今研究的一个热点。通过简单的化学气相沉积法并结合化学液相反应法大量制备了高质量的一维ZnO-Cu2O核壳纳米复合结构材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色散谱(EDS)、X射线衍射(XRD)等测试手段对该一维纳米复合材料的形貌和结构进行了表征,并且利用甲基橙作为有机染料,氙灯作为光源对其光催化性能做了研究。结果表明,在纤锌矿结构的一维ZnO纳米线表面成功包覆了立方结构的Cu2O纳米颗粒,形成了平均直径约为35nm的一维纳米复合结构,其在60min内使甲基橙的脱色率超过了91%,光降解速率常数K达到了2.45h-1,在紫外至可见波长光照射下具有非常好的光催化效果。