纳米计量技术及分子测量机

    随着科技的发展，微电子学、材料学、精密机械学、生命科学和生物学的研究已深入到原子领域。为适应这一发展，迫切需要具有计量意义的纳米、亚纳米精度测量系统，因此，从上世纪八十年代开始，逐步诞生了一门崭新的学科——纳米计量学。
    1982年，IBM苏黎世研究实验室的德国物理学家宾尼希和瑞士物理学家罗雷尔设计了世界上第一台扫描隧道显微镜（STM），并于1986年获得诺贝尔物理学奖。STM的原理利用了物理学上的隧道效应及隧道电流，它用一个极细的探针（针尖为单个原子）接近试件表面，并在探针与试件之间施加偏压，当两者接近到纳米级距离时即产生隧道电流，其大小与距离成反比。STM在计量中有两种应用方法：一种是通过反馈保持隧道电流为定值，用于检测试件表面形貌；另一种是通过测量隧道电流的大小来表征探针与试件间的距离。
    继扫描隧道显微镜之后，相继出现了一系列测量尺度可达到原子量级的检测技术与仪器，如原子力显微镜（AFM）、扫描近场光学显微镜（SNOM）、光子扫描隧道显微镜（PSTM）等。这些先进技术的应用，使人类有史以来第一次能够观察到单个原子在物质表面的排列状态，并成功实现了原子搬迁。
    但是，这些仪器只是“观察”到分子的内部结构，没有量的概念。在计量学实际应用中，还必须解决溯源问题，建立计量标准，即需要提供一种可溯源的、具有纳米量级精度的长度测量手段。上世纪九十年代以来，各国科学家对此进行了大量研究。中国计量科学研究院与德国PDB合作研制了可自校准和实现绝对测量的原子力显微镜、差拍F-B干涉仪等，解决了单维尺寸的溯源和测量问题。1994年美国NIST研制成功第一台三维分子测量机（Molecular Measuring Machine），它实际是一台超高精度的三坐标测量机，测量范围为50mm×50mm×12mm，空间测量不确定度为1nm。该测量机采用能够溯源的超高分辨率外差激光干涉仪作为测量系统，干涉仪采用光学8倍频和相位100细分，使分辨率达到0.075nm。分子测量机的探针分为两种：低分辨率测量时采用共焦光学显微镜；高分辨率测量时采用隧道显微镜或原子力显微镜。
    分子测量机不但解决了计量溯源问题，实现了真正意义的纳米测量，而且能够操作一簇分子和原子（甚至单个原子），可应用于微型机械、纳米管、纳米材料处理等技术领域，是纳米科技研究和应用不可缺少的重要手段。