納米計(jì)量基礎(chǔ)與應(yīng)用

本書是介紹納米計(jì)量的發(fā)展現(xiàn)狀、相關(guān)技術(shù)及其在多個(gè)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的一本技術(shù)專著，來(lái)源于筆者及所在實(shí)驗(yàn)室同仁們?cè)诩{米計(jì)量領(lǐng)域的研究工作。本書以納米計(jì)量為主線，主要包括技術(shù)和應(yīng)用兩大部分。在技術(shù)部分主要介紹了納米計(jì)量的基本內(nèi)容以及涉及的納米檢測(cè)技術(shù)；在應(yīng)用部分主要選取納米計(jì)量在先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、微電子與集成電路產(chǎn)業(yè)的典型應(yīng)用進(jìn)行介紹。本書通過(guò)對(duì)納米計(jì)量的基本內(nèi)容與應(yīng)用進(jìn)行介紹得以傳承計(jì)量文化，普及計(jì)量知識(shí)，使讀者對(duì)納米計(jì)量這一小眾學(xué)科的基礎(chǔ)研究有所了解，對(duì)我國(guó)納米計(jì)量體系有系統(tǒng)、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。
本書重點(diǎn)介紹了我國(guó)自主研發(fā)的納米計(jì)量測(cè)量?jī)x器的技術(shù)指標(biāo)（已基本達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平），自主研發(fā)的納米幾何特征參量標(biāo)準(zhǔn)器及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，同時(shí)分享了納米計(jì)量在先進(jìn)制造、生物醫(yī)藥、微電子與集成電路產(chǎn)業(yè)的多個(gè)典型應(yīng)用示范。
本書不僅適合納米計(jì)量相關(guān)的工程技術(shù)人員參考，也供高等學(xué)校儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及相關(guān)專業(yè)師生參閱。

施玉書，研究員，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院納米計(jì)量研究室主任，微納計(jì)量及應(yīng)用技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)帶頭人，博士畢業(yè)于天津大學(xué)。曾先后在英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）與德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）做中長(zhǎng)期訪問(wèn)學(xué)者。主要研究方向?yàn)槲⒓{尺度形貌結(jié)構(gòu)的計(jì)量與標(biāo)準(zhǔn)化，致力于我國(guó)納米幾何量值的等效一致與國(guó)際互認(rèn)，保障我國(guó)納米科技與產(chǎn)業(yè)高端精密儀器的量值準(zhǔn)確可靠。
擔(dān)任國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目"納米幾何特征參量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器研究及應(yīng)用示范"項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，主持完成了國(guó)家級(jí)項(xiàng)目課題近10項(xiàng)。長(zhǎng)期從事國(guó)家最高納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置與多量值多結(jié)構(gòu)納米幾何特征參量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的自主研制。研究建立國(guó)家計(jì)量基標(biāo)準(zhǔn)裝置近10項(xiàng)，獲批國(guó)家有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)近30項(xiàng)，制定相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)9項(xiàng)，制定和報(bào)批國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范7項(xiàng)，主導(dǎo)/參與國(guó)內(nèi)外比對(duì)7項(xiàng)，獲得省部級(jí)、學(xué)會(huì)科技獎(jiǎng)勵(lì)10余項(xiàng)。擔(dān)任國(guó)際計(jì)量委員會(huì)長(zhǎng)度咨詢委員會(huì)納米工作組（CIPM/CCL/WG-N）成員，ISO/TC 213注冊(cè)專家、ISO/TC 201 SC9中國(guó)代表，東北亞標(biāo)準(zhǔn)合作會(huì)議3D數(shù)字化（WG11）召集人；擔(dān)任全國(guó)幾何量長(zhǎng)度計(jì)量技術(shù)委員會(huì)（MTC2）委員以及納米幾何量計(jì)量工作組長(zhǎng)、全國(guó)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)納米檢測(cè)技術(shù)分技術(shù)委員會(huì)（SAC/TC279/SC2）委員等。

陳鷹，正高級(jí)工程師，現(xiàn)任職于上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院材料科學(xué)與質(zhì)量檢測(cè)中心。1997年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，曾先后在上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院氣體室、Intertek檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)、上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院理化分析室從事材料領(lǐng)域的計(jì)量測(cè)試方法研究與理化分析檢測(cè)工作。先后承擔(dān)科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、上海市"科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃"近十項(xiàng)，主持國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制定四項(xiàng)，參與國(guó)標(biāo)制修定十余項(xiàng)。目前為全國(guó)氣體標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，全國(guó)納米技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)納米檢測(cè)技術(shù)分技術(shù)委員會(huì)委員、上海市計(jì)量測(cè)試學(xué)會(huì)分析測(cè)試專業(yè)委員會(huì)主任委員。擔(dān)任《醫(yī)用氣體工程》、《上海計(jì)量測(cè)試》編委。曾獲上海市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1次、三等獎(jiǎng)2次，上海市標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)秀成果獎(jiǎng)1次。

本書系統(tǒng)闡述了納米計(jì)量的基本概念、國(guó)內(nèi)外納米計(jì)量檢測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀以及納米計(jì)量的量值溯源與傳遞等，全面介紹了建立的從國(guó)家到地方直至產(chǎn)業(yè)的全鏈條全覆蓋的納米幾何量值傳遞體系，滿足產(chǎn)業(yè)的共性基礎(chǔ)納米計(jì)量需求，并詳細(xì)介紹了基于納米幾何特征參量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，面向集成電路、國(guó)防軍工、先進(jìn)制造和生物醫(yī)藥等典型產(chǎn)業(yè)開(kāi)展的應(yīng)用示范案例，將精準(zhǔn)的納米量值與科學(xué)的測(cè)量方法相結(jié)合，直面產(chǎn)業(yè)的納米計(jì)量難題，提供解決方案。 ★納米計(jì)量、納米檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展、納米幾何量計(jì)量體系 ★納米檢測(cè)技術(shù)：光學(xué)顯微成像技術(shù)、掃描探針顯微技術(shù)、電子束顯微技術(shù)、電學(xué)測(cè)微技術(shù) ★納米檢測(cè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范：先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范：平板顯示領(lǐng)域、空氣凈化領(lǐng)域、納米制造領(lǐng)域、精密加工領(lǐng)域、服務(wù)公共測(cè)試平臺(tái) ★生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范：藥物注冊(cè)及仿制藥一致性評(píng)價(jià)領(lǐng)域、納米藥物研究領(lǐng)域、醫(yī)療器械領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域 ★微電子與集成電路產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范：元器件研制、關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域、失效分析領(lǐng)域

納米科學(xué)是在納米尺度（從原子、分子到亞微米尺度之間）上研究物質(zhì)的相互作用、組成、特性與制造方法的科學(xué)。它匯聚了現(xiàn)代多學(xué)科領(lǐng)域在納米尺度的焦點(diǎn)科學(xué)問(wèn)題，促進(jìn)了多學(xué)科交叉融合，孕育著眾多的科技突破和原始創(chuàng)新機(jī)會(huì)。同時(shí)，納米科技對(duì)高新技術(shù)的誕生，對(duì)我們的生產(chǎn)、生活也將產(chǎn)生巨大的影響。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，納米科技引起了人們的廣泛關(guān)注。2000年，美國(guó)率先發(fā)布了“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI）”，掀起了國(guó)際納米科技研究熱潮。中國(guó)高度關(guān)注納米科技發(fā)展，與國(guó)際同步進(jìn)行了布局，于2000年成立了國(guó)家納米科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)，在《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006—2020年）》中部署了納米科技作為重大科學(xué)研究計(jì)劃。這些措施極大地推動(dòng)了中國(guó)納米科技的發(fā)展。
在過(guò)去二十年間，納米科技在世界范圍得到了很大的發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)生活進(jìn)步產(chǎn)生了巨大影響。納米科學(xué)研究和技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)遍布材料與制造、電子與信息技術(shù)、能源與環(huán)境、醫(yī)學(xué)與健康領(lǐng)域。納米計(jì)量是納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，納米幾何特征參量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器作為實(shí)現(xiàn)納米量值從國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)傳遞到納米產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵載體，是納米量值傳遞體系中至關(guān)重要的一環(huán)。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院聯(lián)合高等院校，研制了一維、二維柵格和線寬等幾何特征參量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，實(shí)現(xiàn)了高精度定值、校準(zhǔn)和溯源，并基于全國(guó)先進(jìn)省市級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)建立了從國(guó)家到地方直至產(chǎn)業(yè)的全鏈條、全覆蓋的納米幾何量值傳遞體系，面向集成電路、國(guó)防軍工、先進(jìn)制造和生物醫(yī)藥等典型產(chǎn)業(yè)展開(kāi)應(yīng)用示范，從根本上解決了我國(guó)納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器缺失和量傳體系與產(chǎn)業(yè)脫節(jié)的問(wèn)題，打破國(guó)外壟斷，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
本書對(duì)我國(guó)納米計(jì)量體系進(jìn)行了基本介紹，首先是基于掃描探針?lè)?、電子束顯微法與光學(xué)法等不同測(cè)量原理多臺(tái)量值溯源至米定義國(guó)際單位制（SI）單位的計(jì)量裝置，其次是納米幾何特征參量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，最后基于標(biāo)準(zhǔn)器在納米產(chǎn)業(yè)密集地區(qū)廣泛建立納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，形成了覆蓋全國(guó)的納米幾何量值傳遞體系。
第1章簡(jiǎn)單回顧了科技創(chuàng)新、納米科技、納米計(jì)量等方面的國(guó)家戰(zhàn)略，由科技創(chuàng)新到納米科技再到納米計(jì)量。
第2章圍繞納米計(jì)量是通過(guò)不間斷溯源鏈將幾何量測(cè)量結(jié)果與國(guó)際單位制基本單位建立聯(lián)系的特點(diǎn)，首先介紹了納米量值溯源與傳遞的過(guò)程以及納米計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，然后著重介紹了我國(guó)現(xiàn)有的納米幾何量計(jì)量體系，包括建立的納米計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置和研制的納米幾何量標(biāo)準(zhǔn)器或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。
第3章集中介紹了納米計(jì)量體系中覆蓋的多種檢測(cè)技術(shù)的工作原理。主要包括光學(xué)顯微成像技術(shù)、掃描探針顯微技術(shù)、電子束顯微技術(shù)、電學(xué)測(cè)微技術(shù)等。讀者可通過(guò)這一章學(xué)習(xí)到納米計(jì)量檢測(cè)技術(shù)的基本原理。
第4章至第6章依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米幾何特征參量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器研究及應(yīng)用示范”（項(xiàng)目編號(hào)2018YFF0212300），總結(jié)了40多個(gè)服務(wù)先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)、生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、微電子與集成電路產(chǎn)業(yè)中的相關(guān)企業(yè)的典型案例，為讀者進(jìn)行科學(xué)研究提供經(jīng)驗(yàn)參考。
展望未來(lái)，我們需要實(shí)現(xiàn)對(duì)納米尺度基礎(chǔ)研究的突破，需要加快填補(bǔ)基礎(chǔ)與應(yīng)用之間的溝壑，滿足更多來(lái)自國(guó)防軍工、先進(jìn)制造與生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的重大需求。希望通過(guò)我們的共同努力，納米科技能實(shí)現(xiàn)更多原創(chuàng)性突破，更多應(yīng)用成果開(kāi)花結(jié)果、落地生根，服務(wù)國(guó)家、造福人民，為中國(guó)早日成為世界科技強(qiáng)國(guó)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

著者

第1章 緒論 001

第2章 納米計(jì)量 003
2.1 納米計(jì)量的溯源與傳遞  004
2.1.1　納米量值的溯源  004
2.1.2　納米量值的傳遞  006
2.2 納米檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展  008
2.2.1　光學(xué)顯微鏡  009
2.2.2　掃描探針顯微鏡  010
2.2.3　電子顯微鏡  012
2.3 納米幾何量計(jì)量體系  014
2.3.1　計(jì)量基準(zhǔn)組成  016
2.3.2　納米幾何量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)  023
2.4 國(guó)內(nèi)外納米計(jì)量領(lǐng)域相關(guān)委員會(huì)  028
2.4.1　納米計(jì)量領(lǐng)域國(guó)外計(jì)量技術(shù)委員會(huì)  028
2.4.2　納米計(jì)量領(lǐng)域國(guó)內(nèi)計(jì)量技術(shù)委員會(huì)  029
2.4.3　納米計(jì)量領(lǐng)域國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)  029
2.4.4　納米計(jì)量領(lǐng)域國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)  029

第3章 納米檢測(cè)技術(shù) 031
3.1 光學(xué)顯微成像技術(shù)  031
3.1.1　白光干涉儀  031
3.1.2　激光共聚焦顯微鏡  034
3.1.3　X射線衍射儀  036
3.1.4　橢偏儀  038
3.1.5　動(dòng)態(tài)光散射  040
3.2  掃描探針顯微技術(shù)  043
3.2.1　掃描隧道顯微鏡  043
3.2.2　原子力顯微鏡  046
3.2.3　磁力顯微鏡  050
3.2.4　靜電力顯微鏡  051
3.2.5　橫向力顯微鏡  053
3.2.6　觸針式臺(tái)階儀  054
3.3 電子束顯微技術(shù)  055
3.3.1　透射電子顯微鏡  055
3.3.2　掃描電子顯微鏡  059
3.4 納米位移測(cè)量技術(shù)  061
3.4.1　激光干涉系統(tǒng)  061
3.4.2　電容測(cè)微系統(tǒng)  063
3.4.3　電感測(cè)微儀  064

第4章 先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范 067
4.1 平板顯示領(lǐng)域  067
4.1.1　建立平板顯示微納幾何參數(shù)量值溯源體系  068
4.1.2　提供薄膜關(guān)鍵參數(shù)計(jì)量檢測(cè)解決方案  071
4.1.3　解決測(cè)量設(shè)備的在線校準(zhǔn)難題  072
4.1.4　助推企業(yè)對(duì)顯示器質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定  073
4.2 空氣凈化領(lǐng)域  074
4.2.1　自主研發(fā)表面塵埃粒子計(jì)數(shù)器  074
4.2.2　超高效過(guò)濾器檢測(cè)用納米微球制備及定值研究  076
4.2.3　提供潔凈室等級(jí)適用性評(píng)價(jià)方案  078
4.2.4　提供凈化器濾材微觀形貌表征方案  080
4.3 納米制造領(lǐng)域  082
4.3.1　定值色譜納米芯  082
4.3.2　SERS芯片微納結(jié)構(gòu)定值技術(shù)  084
4.3.3　提供超導(dǎo)材料制造關(guān)鍵參數(shù)計(jì)量解決方案  086
4.3.4　提供流式細(xì)胞儀量值溯源方案  087
4.4 精密加工領(lǐng)域  089
4.4.1　助力汽摩部件質(zhì)量提升  089
4.4.2　助力汽車塑料電鍍零件檢測(cè)  091
4.4.3　確定非規(guī)則微觀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確定值技術(shù)  092
4.4.4　解決三維顯微鏡橫向示值誤差的校準(zhǔn)  094
4.5  服務(wù)公共測(cè)試平臺(tái)  097
4.5.1　提供微量痕跡的高精度計(jì)量解決方案  097
4.5.2　助力高校微納米材料幾何尺寸技術(shù)研究  098
4.5.3　協(xié)助提升食品、化妝品安全的研判能力  099

第5章 生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范 101
5.1 藥物注冊(cè)及仿制藥一致性評(píng)價(jià)領(lǐng)域  102
5.1.1　藥物顆粒粒徑檢測(cè)  102
5.1.2　粉體藥物比表面積分析  104
5.1.3　固體骨架密度測(cè)定  106
5.2 納米藥物研究領(lǐng)域  108
5.2.1　智能前藥納米粒微觀形態(tài)  110
5.2.2　碳量子點(diǎn)負(fù)載  112
5.2.3　DNA折紙術(shù)表征  114
5.2.4　DNA修飾金電極表征  117
5.3 醫(yī)療器械領(lǐng)域  120
5.3.1　醫(yī)療器械唯一標(biāo)識(shí)的高度溯源  120
5.3.2　醫(yī)療器械產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的精密測(cè)量  121
5.3.3　醫(yī)用魯爾量規(guī)尺寸的無(wú)損檢測(cè)  123
5.3.4　激光共聚焦顯微鏡的量值溯源  126
5.3.5　研究級(jí)透反射正置材料顯微鏡的溯源  127
5.4  公共安全領(lǐng)域  129
5.4.1　化學(xué)藥藥用玻璃包裝的脫片研究  129
5.4.2　公安刑偵痕量生物檢材的X射線能譜鑒定  131

第6章 微電子與集成電路產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范 135
6.1 元器件研制領(lǐng)域  136
6.1.1　測(cè)溫儀核心傳感器的研制  136
6.1.2　石墨烯納米復(fù)合電極材料超級(jí)電容器開(kāi)發(fā)研究  138
6.1.3　石墨烯微流控芯片傳感器研發(fā)  140
6.2 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域  142
6.2.1　半導(dǎo)體行業(yè)線寬量值溯源  143
6.2.2　半導(dǎo)體器件薄層材料關(guān)鍵參數(shù)量值溯源  145
6.2.3　電子互聯(lián)中臺(tái)階高度關(guān)鍵參數(shù)量值溯源  146
6.2.4　微電子元器件微觀形貌特征參數(shù)計(jì)量  147
6.2.5　微電子產(chǎn)業(yè)金屬覆蓋層測(cè)量量值溯源  148
6.3 失效分析領(lǐng)域  150
6.3.1　助力印制電路板失效分析檢測(cè)  150
6.3.2　提升微納尺度集成電路產(chǎn)品良率  152
6.3.3　解決錫膏測(cè)厚儀溯源問(wèn)題  154

參考文獻(xiàn) 158

致謝 164