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浙江大学研究生课程 — 纳米技术与系统

浙江大学研究生课程 — 纳米技术与系统. 第九章 基于 STM/AFM 的纳米计量技术. 章海军. 浙江大学 信息学部 光电信息工程学系 2014-03-24. 第九章 基于 STM/AFM 的纳米计量技术. 9.1 计量的定义 9.2 纳米计量的任务和标准 9.3 双元扫描隧道显微镜 DTU-STM 9.4 双元 STM-AFM 9.5 双元 AFM 9.6 干涉计量型 AFM. 9.1 计量的定义. 什么是计量 ?. 计量，是 实现单位统一和量值准确可靠的测量 。它属于测量，源于测量，而又严 于一般测量，是测量的一种特定形式。.

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  1. 浙江大学研究生课程—纳米技术与系统 第九章 基于STM/AFM的纳米计量技术 章海军 浙江大学 信息学部 光电信息工程学系 2014-03-24

  2. 第九章 基于STM/AFM的纳米计量技术 • 9.1计量的定义 • 9.2 纳米计量的任务和标准 • 9.3 双元扫描隧道显微镜DTU-STM • 9.4双元STM-AFM • 9.5双元AFM • 9.6干涉计量型AFM

  3. 9.1 计量的定义 什么是计量? 计量，是实现单位统一和量值准确可靠的测量。它属于测量，源于测量，而又严 于一般测量，是测量的一种特定形式。

  4. 相关术语 计 量Detection 测 量 Measurement 测 试 Metrology 检 测 Test 计 测 Metrology & Measurement

  5. Measuring and Testing Technologies and Instruments Instrument Science and Technology Optical Engineering Optical Communications 测试计量技术及仪器 仪器科学与技术 光学工程 光通信

  6. 什么是一秒？ 什么是标准1米?  1872年，巴黎，标准米尺（参照地球 椭球子午线弧长）?  1960年，1米是氪-86原子的2P10 和5d5 能级之间跃迁辐射在真空中的波长的 1650763.73倍（参照光波长）  1983年，第17届国际计量会议，1米是 光在真空中 299792458分之一秒时间内 所传播的距离。

  7. 为什么要纳米计量? 隧道电流或原子力的原理性误差 压电陶瓷扫描器的迟滞与非线性  不同STM或不同AFM仪器的不一致性  不同控制系统造成的误差  人为因素的影响  环境因素的影响等

  8. 硅 原 子 的 S T M 图 像 那一幅更真实?

  9. 压电陶瓷的非线性——AFM图像扭曲

  10. 压电陶瓷的非线性——AFM图像畸变 ？？ 那一颗更真实? ？？

  11. 国外著名AFM设备对同一光栅的扫描图像 Veeco PNI SEM AMBIOS 10/80

  12. 光电系AFM

  13. STM/AFM图像的由来? Image(x, y, z)

  14. Image(x,y,z)  Image(Ux,Uy,z) 理想化 x = Ux X 扫描电压值 y = Uy Y 扫描电压值 z = 隧道电流(STM)光电流(AFM) 实际上 x Ux X 扫描电压值 y Uy Y 扫描电压值 z = 隧道电流(STM)光电流(AFM) ？

  15. 纳米计量 结论：常规的STM和AFM 都是微纳观察/测量/测试/检测型 而不是微纳米计量型

  16. 9.2 纳米计量的任务和标准

  17. m～km m～mm 0.1m~m 寻找标准 0.1～100nm 标准 米尺 计量 光栅 长度计量 的标准 激光 波长 ???

  18. 标准样品二维点阵Const=500nm

  19. 标准光栅Const=500nm —— 每毫米2000线

  20. German Metrology Institute

  21. 标准(高度)样品Height=3000 nm

  22. http://www.nist.gov/index.html National Institute of Standards & Technology （NIST，美国国家标准技术所）

  23. Nano/atomic Scale Stable Reference scale Well-defined Universal

  24. 纳米计量的标尺 原子尺

  25. 9.3 双元扫描隧道显微镜 Dual tunneling unit STM, DTU－STM For high resolution length measurement, the wavelength of light is generally employed as the length standard in some systems such as laser interferometers. In the nano-technology field, however, the need for a more precise length measuring scale is becoming apparent. The application of regular crystalline lattice of HOPG as a reference scale in scanning tunneling microscopy (STM) has been studied.

  26. 如何实现纳米计量？游标卡尺的启示

  27. 原子尺纳米计量的基本原理 参考方 原子 L＝N×Cont 被测方

  28. A Setup of the DTU-STM

  29. STM images of HOPG and test sample are simul-taneously scanned by one single XY scanner. The length in test sample image could be measured by counting the number of HOPG lattices.

  30. DTU－STM获得的原子图像及纳米计量结果 （a）Reference side （b）Test side

  31. 9.4 双元STM—AFM Dual imaging unit STM－AFM A DTU-STM is only capable of measuring electrically conductive samples. Before surface measurements of non-conductor samples, a thin film of conductive material should be deposited onto the sample surface. This process is troublesome and undoubtedly changes the original structure of sample surface. For direct measurement of non-conductor samples, we have further developed a dual imaging unit STM-AFM for length measurement based on standard reference scales.

  32. STM AFM 双元STM—AFM原理示意图 参考标样 被测样品

  33. (a) (b)

  34. 9.5 双元AFM Dual imaging unit AFM The system incorporates two AFM units and one single XY scanner. The reference unit and the test unit are horizontally set in parallel with each other. Their probes with Z piezos and tips are installed at the same height. Such a setup can significantly reduce Abbe’s errors, i.e., errors due to geometric asymmetry, even if the scanner is slightly twisting. Samples with periodic features such as an alumina film and a grating are used as reference scales, respectively, for nanometer and micron order measurement. 40/80

  35. reference image test image L 双元AFM原理示意图 PZ2 PZ1 tip 1 tip 2 reference sample test sample XY Scanner

  36. A1 B1 (b) C A B (a)

  37. A B1 A1 B

  38. 9.6 干涉计量型AFM Metrological Atomic Force Microscope 计量型AFM，指的是在常规AFM的基础上，引入微型光纤传导激光干涉三维测量系统，自动校准和绝对测量样品尺度的AFM系统。它的诞生，可使目前用于纳米技术研究的STM和AFM定量化，并将其所测量的纳米量值直接与米的定义相衔接。使人们更加准确地了解纳米范围内的各种物理现象，并对它们进行更精确的分 析。

  39. 计量型原子力显微镜原理图 Y向激光干涉仪 X向激光干涉仪 X Y Z向激光干涉仪 Z 立方体平面反射镜 XYZ压电陶瓷驱动器 被测物体 测量工作台

  40. 平移误差的校准结果 在校准之前，当x轴、y轴和z轴的测量范围分别为15μm时，x轴、y和z轴的非线性误差分别为12nm、12nm和15nm；校准后， x轴、 y轴和z轴的非线性误差仅为±1nm。如果校准更加完善，没有压电陶瓷扫描驱动系统所产生的随机误差的影响，校准效果会更 理想。

  41. Novel Metrological AFM (1)

  42. Novel Metrological AFM (2)

  43. 计量型AFM的纳米测试计量结果之一

  44. 计量型AFM的纳米测试计量结果之二

  45. 计量型AFM的纳米测试计量结果之三

  46. To be continued

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