测量系统装置如图1 。两个法布里—珀
罗干涉腔FP1 、FP2 组成类似迈克尔逊 干涉仪的两个臂,其中FP1 是测量腔,FP2 为参考腔。。将一个对微弱力极敏感的 微悬臂的一端与FP1 腔的一侧固定联接,
另一端固定有一微小探针。
•该系统的工作过程为:激光束经分光器分成两束分
别至FP1 、FP2 ,形成双法布里—珀罗干涉; 开始测
• 图像上△x 1可分辨的最小距离为0.005
cm ,条纹间距△ x2 的通常数值为0.50 cm(条纹间距△ x2 可通过适当改变屏 的距离和改变摄像头的焦距来调整) , 则k 能分辨的最小值为1/ 100 条,因此, d 能分辨的最小值为6 nm 。
图4 精确测量图
扫描隧道显微镜
扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）。它使人类第一次能够直 接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态， 并能够研究其相关的物理和化学特性。因此， 它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以 及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义 和广阔的应用前景。
利用一种特殊的方法测得该薄膜的光强反 射率,进而根据薄膜厚度与入射光波长和 相应的光强反射率之间的函数关系建立方 程组。通过对方程组求解,计算出薄膜的 厚度。多波长干涉测量法能够避免移相干 涉法中移相器所带来的误差,并且可根据 不同波长的光波测出的结果相互校正,提 高了测量精度。
测试系统原理图
如上图 所示, 由白光源发出的光束经分束片1反 射后垂直入射到石英玻璃片, 在石英玻璃片下
STM实验总图
基本原理
STM的基本原理是量子的隧道效应。它利用金属针尖 在样品的表面上进行扫描，并根据量子隧道效应来 获得样品表面的图像。通常扫描隧道显微镜的针尖 与样品表面的距离非常接近（大约为0.5~1.0nm）， 所以它们之间的电子云互相重叠。当在它们之间施 加一偏值电压VB（VB通常为2mV~2V）时，电子就 可以因量子隧道效应（Tunneling Effect）由针尖 （或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品 表面之间形成隧道电流。
x1
• 如图4，分别为d1 = 3.01 cm ; d2 =
3.50 cm ; d3 = 4.19 cm . 由于d1 环 与d2 环有条纹相连,因此为同级条纹, 其半径之差即为条纹偏移距离; △x1 = ( d2 - d1) /2= 0.25 cm , d1 环与d3 环 为相邻条纹, 其半径之差即为条纹间距: △x 2 = ( d3 - d1) / 2 = 0.59 cm ,条 纹移动条数k =△x1/ △x2 = 0.42 ,镀 膜厚度d = kλ ( n - 1) / 2 = 221 nm , 误差的来源主要在于k 值的测量,
分对光程的影响导致干涉圆环直径大 小发生变化,从而计算出膜的厚度. 计 算如下: 光路图中的待测样品为玻璃基板,一半 镀有纳米膜,位置放置于M2 前面的位 置,由于薄膜的存在,使干涉条纹发生移 动,则条纹移动的条数K 与膜厚d 的关 系为2 n d-2 d = kλ则 d = kλ（ n -1）/ 2 , 其中, n 为薄膜介质折射率,
表面分成2 束,其中一束穿过空气薄膜,从被测表
面反射回来, 并和从参考面反射回的另一光束 叠加在一起,发生干涉。
干涉后的复合光经分束片2 、3 分成3 束,分别经 不同波带的滤波片1 、2 、3 选频后, 可得到波 长分别为λ1 、λ2 和λ3 的单色光干涉图样。PIN 光电管将干涉后的光强转化为电信号,经信号调 理电路处理后,再由数据采集装置转换成为数字 信号送入计算机。应用程序再根据一定的算法便 可以计算出空气薄膜厚度。
纳米领域的测量技术
0501303 孟元元 0501318 王长坤 0501330 张伟 0501305 成凤敏 0501339 韩芳芳 0505307 张远
多波长干涉测量方法 迈克尔逊干涉仪测量纳米级薄膜厚度 扫描隧道显微镜 激光双法布里—珀罗干涉(DFPI) 纳米测量
前言
纳米技术是指纳米级（ 0.1nm— 100nm）的材料、设计、制造、测量、 控制和产品的技术。纳米技术研究的 内容包含了生物科学技术、信息科学 技术、纳米科学技术等，是本世纪科 学技术发展的重要方面。
1．具有原子级高分辨率，STM在平行和
独 特 的具 优有 点如 ：下
垂直于样品表面方向的分辨率分别可达 0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子． 2．可实时再现样品表面的三维图象，用 于对表面结构的研究及表面扩散等动态过程 的研究．
STM
3．可以观察单个原子层的局部表面结构， 因而可直接观察到表面缺陷、表面重构、表 面吸附体的形态和位置．
恒高度模式
恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变，并取 出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息 （该信息也反映样品表面的起伏），来绘制样品 表面的原子图像。由于在恒高度模式的扫描过程 中，针尖的高度恒定不变，当表面形貌起伏较大 时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度模式 只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。
多波长干涉测量方法的特点
且避免了普通相移干涉法中移相器所带
来的误差,并采用了不同波长干涉测量结果间
的相互误差校正等手段,所以具有很高的测量 精度和可靠性,非常适合工业应用中自动快速
测量的场合。
通过分析实验可知,对测量精度有较大
影响的因素主要有:干涉光的稳定性、
多波长干涉测量法适用于纳米级微间距的 实时动态非接触测量。纳米级间隙之间的 空气形成一层具有光学特性的空气薄膜。 该空气薄膜的光强反射率是关于入射光波 长和薄膜厚度的函数。在多波长干涉法中, 以包含多种波长的复合入射光照射薄膜, 入射光被空气薄膜分成2 部分,一部分穿 过薄膜,另一部分则被反射回来。
量时,给微悬臂施加—振动信号,其振动频率f 恰好高
于微悬臂的最低机械共振频率f n ;把这种受迫振动 的探针调节至被测样品表面一定距离(通常2～
20nm) ;
•调节FP1 、FP2 干涉腔长,使其输出稳定的间 隔为自由光谱范围的两个光脉冲信号;设开始
测量时探针位于位置1 ,如图2 所示,当样品随
工作台移动,探针位于位置2 (或位置3) 时,由 于探针与样品表面间距离的改变而使它们之 间的作用力发生变化,导致微悬臂的振幅发生 相应变化。
纳米测量方法
概括国内外的纳米测量方法,可以 分为两大类:一类是非光学方法:扫描探 针显微术、电子显微术、电容电感测 微法；另一类是光学方法:激光干涉仪、 X光干涉仪、光学光栅和光频率跟踪等。 总结现有各种纳米测量方法,它们的单 项参数(分辨率、精度、测量范围)可达 到的指标如表1所示。
多波长干涉测量方法
• λ为激光光源波长,均为固定值,若要提
高测量精度,只有增加测量系统对k 值 的分辨率: ①适当扩大分束镜与屏的距 离,使干涉图样变大; ②在屏的前面设 置近焦数码摄像头,使摄像头尽量靠近 屏,提高分辨率; ③将图像输入计算机, 并将图形文件进行数字化处理,能够准 确辨别出1/ 100 条的条纹移动.
迈克尔逊干涉仪测量纳米级薄膜厚度
迈克尔逊干涉仪(见图1)是物理实 验室常见的仪器.利用干涉原理可以测 量微小长度.实验装置如图2所示,其原 理光路如图3所示. 从激光光源发出的光束,经过扩束镜 形成不同倾角的扩散光,再经过分光板 G1后表面分成两路光强近似相等的光 束:反射光A 和透射光B .反射光A在入 射到平面镜M1后,经反射又沿原路返回， 透过G1到达屏；投射光B在透过
被测样品后,入射到平面镜M2上,经反射 又沿原路返回,经过分光板后表面后反 射,在屏处与光束A 相遇而产生干涉,干 涉条纹为同心圆环状等倾干涉条纹,由 于受样品结构影响,同心圆环左右两侧 的环半径不同,条纹的位移大小与光程 的变化相对应。
图1 迈克尔逊干涉仪
图2 实验装置图
图3光路原理图
• 根据被测样品有薄膜和无薄膜的两部
另外，即使对于导电样品，STM观察到 的是对应于表面费米能级处的态密度，
如果样品表面原子种类不同，或样品表
面吸附有原子、分子时，即当样品表面 存在非单一电子态时，STM得到的并不 是真实的表面形貌，而是表面形貌和表 面电子性质的综合结果
激光双法布里—珀罗干涉(DFPI) 纳米测量
•激光双法布里—珀罗干涉(DFPI) 纳米
STM有两种工作模式，恒电流模式和恒高度模式 恒电流模式
恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒 定，它可以利用反馈回路控制针尖和样品之间距离的 不断变化来实现。当压电陶瓷控制针尖在样品表面上 扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过 程中它们之间距离变化的信息（该信息反映样品表面 的起伏），就可以得到样品表面的原子图像。由于恒 电流模式时，STM的针尖是随着样品表面形貌的起伏 而上下移动，针尖不会因为表面形貌起伏太大而碰撞 到样品的表面，所以恒电流模式可以用于观察表面形 貌起伏较大的样品。恒电流模式是一种最常用的扫描 模式。
干涉光频谱宽度、光电转换与信号调理
电路的信噪比、数据量化误差等。在测 量系统的应用研发阶段,需要根据实际
测量对象做大量的实验,以掌握其它相
关因素对测量精度的影响。
应用
1 MEMS 器件的微观形变的测量
2 超光滑表面粗糙度和平面度的测量
3 标准量块的检定 4 微弱振动的测量 5 硬盘磁头飞行高度的测量 6 高硬度材料的硬度测量
技术相融合, 将探测、定位、测量、控 制、信号处理等系统结合今后发展的 方向。在一起构成一个大系统, 开发、 设计、制造出实用新型的纳米测量系 统, 仍然是亟待解决的问题, 也是今后 发展的方向。
谢谢！
4．可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品
甚至可浸在水和其它溶液中．不需要特别的制样技术 并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研 究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价， 例如对于多相催化机理、超导机制、电化学反应过程 中电极表面变化的监测等． 5．配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子 结构的信息，例如表面不同层次的态密度、表面电子 阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等 ． 6．利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和 操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础．