納米計量基礎(chǔ)與應(yīng)用

本書是介紹納米計量的發(fā)展現(xiàn)狀、相關(guān)技術(shù)及其在多個產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的一本技術(shù)專著，來源于筆者及所在實驗室同仁們在納米計量領(lǐng)域的研究工作。本書以納米計量為主線，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量的基本內(nèi)容以及涉及的納米檢測技術(shù)；在應(yīng)用部分主要選取納米計量在先進制造產(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)用進行介紹。本書通過對納米計量的基本內(nèi)容與應(yīng)用進行介紹得以傳承計量文化，普及計量知識，使讀者對納米計量這一小眾學(xué)科的基礎(chǔ)研究有所了解，對我國納米計量體系有系統(tǒng)、準確的認識。
本書重點介紹了我國自主研發(fā)的納米計量測量儀器的技術(shù)指標（已基本達到了國際先進水平），自主研發(fā)的納米幾何特征參量標準器及標準物質(zhì)，同時分享了納米計量在先進制造、生物醫(yī)藥、微電子與集成電路產(chǎn)業(yè)的多個典型應(yīng)用示范。
本書不僅適合納米計量相關(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，中國計量科學(xué)研究院納米計量研究室主任，微納計量及應(yīng)用技術(shù)研究團隊帶頭人，博士畢業(yè)于天津大學(xué)。曾先后在英國國家物理實驗室（NPL）與德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）做中長期訪問學(xué)者。主要研究方向為微納尺度形貌結(jié)構(gòu)的計量與標準化，致力于我國納米幾何量值的等效一致與國際互認，保障我國納米科技與產(chǎn)業(yè)高端精密儀器的量值準確可靠。
擔(dān)任國家重點研發(fā)計劃項目"納米幾何特征參量計量標準器研究及應(yīng)用示范"項目負責(zé)人，主持完成了國家級項目課題近10項。長期從事國家最高納米計量標準裝置與多量值多結(jié)構(gòu)納米幾何特征參量國家標準物質(zhì)的自主研制。研究建立國家計量基標準裝置近10項，獲批國家有證標準物質(zhì)近30項，制定相關(guān)國家標準9項，制定和報批國家計量技術(shù)規(guī)范7項，主導(dǎo)/參與國內(nèi)外比對7項，獲得省部級、學(xué)會科技獎勵10余項。擔(dān)任國際計量委員會長度咨詢委員會納米工作組（CIPM/CCL/WG-N）成員，ISO/TC 213注冊專家、ISO/TC 201 SC9中國代表，東北亞標準合作會議3D數(shù)字化（WG11）召集人；擔(dān)任全國幾何量長度計量技術(shù)委員會（MTC2）委員以及納米幾何量計量工作組長、全國納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會納米檢測技術(shù)分技術(shù)委員會（SAC/TC279/SC2）委員等。

陳鷹，正高級工程師，現(xiàn)任職于上海市計量測試技術(shù)研究院材料科學(xué)與質(zhì)量檢測中心。1997年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系，曾先后在上海市計量測試技術(shù)研究院氣體室、Intertek檢驗認證集團、上海市計量測試技術(shù)研究院理化分析室從事材料領(lǐng)域的計量測試方法研究與理化分析檢測工作。先后承擔(dān)科技部重點研發(fā)計劃、上海市"科技創(chuàng)新行動計劃"近十項，主持國家標準制定四項，參與國標制修定十余項。目前為全國氣體標準化技術(shù)委員會委員，全國納米技術(shù)標準化技術(shù)委員會納米檢測技術(shù)分技術(shù)委員會委員、上海市計量測試學(xué)會分析測試專業(yè)委員會主任委員。擔(dān)任《醫(yī)用氣體工程》、《上海計量測試》編委。曾獲上海市科技進步二等獎1次、三等獎2次，上海市標準化優(yōu)秀成果獎1次。

本書系統(tǒng)闡述了納米計量的基本概念、國內(nèi)外納米計量檢測發(fā)展現(xiàn)狀以及納米計量的量值溯源與傳遞等，全面介紹了建立的從國家到地方直至產(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)納米計量需求，并詳細介紹了基于納米幾何特征參量計量標準器，面向集成電路、國防軍工、先進制造和生物醫(yī)藥等典型產(chǎn)業(yè)開展的應(yīng)用示范案例，將精準的納米量值與科學(xué)的測量方法相結(jié)合，直面產(chǎn)業(yè)的納米計量難題，提供解決方案。 ★納米計量、納米檢測技術(shù)的發(fā)展、納米幾何量計量體系 ★納米檢測技術(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)測微技術(shù) ★納米檢測技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范：先進制造產(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)公共測試平臺 ★生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范：藥物注冊及仿制藥一致性評價領(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科學(xué)問題，促進了多學(xué)科交叉融合，孕育著眾多的科技突破和原始創(chuàng)新機會。同時，納米科技對高新技術(shù)的誕生，對我們的生產(chǎn)、生活也將產(chǎn)生巨大的影響。從20世紀80年代開始，納米科技引起了人們的廣泛關(guān)注。2000年，美國率先發(fā)布了“國家納米技術(shù)計劃（NNI）”，掀起了國際納米科技研究熱潮。中國高度關(guān)注納米科技發(fā)展，與國際同步進行了布局，于2000年成立了國家納米科學(xué)技術(shù)指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會，在《國家中長期科學(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)研究計劃。這些措施極大地推動了中國納米科技的發(fā)展。
在過去二十年間，納米科技在世界范圍得到了很大的發(fā)展，對人類社會生活進步產(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。納米計量是納米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，納米幾何特征參量計量標準器作為實現(xiàn)納米量值從國家計量基準傳遞到納米產(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)。中國計量科學(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量標準器，實現(xiàn)了高精度定值、校準和溯源，并基于全國先進省市級計量技術(shù)機構(gòu)建立了從國家到地方直至產(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、國防軍工、先進制造和生物醫(yī)藥等典型產(chǎn)業(yè)展開應(yīng)用示范，從根本上解決了我國納米計量標準器缺失和量傳體系與產(chǎn)業(yè)脫節(jié)的問題，打破國外壟斷，提升了產(chǎn)品質(zhì)量和國際競爭力。
本書對我國納米計量體系進行了基本介紹，首先是基于掃描探針法、電子束顯微法與光學(xué)法等不同測量原理多臺量值溯源至米定義國際單位制（SI）單位的計量裝置，其次是納米幾何特征參量計量標準器，最后基于標準器在納米產(chǎn)業(yè)密集地區(qū)廣泛建立納米計量標準，形成了覆蓋全國的納米幾何量值傳遞體系。
第1章簡單回顧了科技創(chuàng)新、納米科技、納米計量等方面的國家戰(zhàn)略，由科技創(chuàng)新到納米科技再到納米計量。
第2章圍繞納米計量是通過不間斷溯源鏈將幾何量測量結(jié)果與國際單位制基本單位建立聯(lián)系的特點，首先介紹了納米量值溯源與傳遞的過程以及納米計量技術(shù)的發(fā)展，然后著重介紹了我國現(xiàn)有的納米幾何量計量體系，包括建立的納米計量標準裝置和研制的納米幾何量標準器或標準物質(zhì)。
第3章集中介紹了納米計量體系中覆蓋的多種檢測技術(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)測微技術(shù)等。讀者可通過這一章學(xué)習(xí)到納米計量檢測技術(shù)的基本原理。
第4章至第6章依托國家重點研發(fā)計劃“納米幾何特征參量計量標準器研究及應(yīng)用示范”（項目編號2018YFF0212300），總結(jié)了40多個服務(wù)先進制造產(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，為讀者進行科學(xué)研究提供經(jīng)驗參考。
展望未來，我們需要實現(xiàn)對納米尺度基礎(chǔ)研究的突破，需要加快填補基礎(chǔ)與應(yīng)用之間的溝壑，滿足更多來自國防軍工、先進制造與生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的重大需求。希望通過我們的共同努力，納米科技能實現(xiàn)更多原創(chuàng)性突破，更多應(yīng)用成果開花結(jié)果、落地生根，服務(wù)國家、造福人民，為中國早日成為世界科技強國做出應(yīng)有的貢獻。

著者

第1章 緒論 001

第2章 納米計量 003
2.1 納米計量的溯源與傳遞  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 納米幾何量計量體系  014
2.3.1　計量基準組成  016
2.3.2　納米幾何量計量標準  023
2.4 國內(nèi)外納米計量領(lǐng)域相關(guān)委員會  028
2.4.1　納米計量領(lǐng)域國外計量技術(shù)委員會  028
2.4.2　納米計量領(lǐng)域國內(nèi)計量技術(shù)委員會  029
2.4.3　納米計量領(lǐng)域國外標準化委員會  029
2.4.4　納米計量領(lǐng)域國內(nèi)標準化委員會  029

第3章 納米檢測技術(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 納米位移測量技術(shù)  061
3.4.1　激光干涉系統(tǒng)  061
3.4.2　電容測微系統(tǒng)  063
3.4.3　電感測微儀  064

第4章 先進制造產(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)計量檢測解決方案  071
4.1.3　解決測量設(shè)備的在線校準難題  072
4.1.4　助推企業(yè)對顯示器質(zhì)量進行評定  073
4.2 空氣凈化領(lǐng)域  074
4.2.1　自主研發(fā)表面塵埃粒子計數(shù)器  074
4.2.2　超高效過濾器檢測用納米微球制備及定值研究  076
4.2.3　提供潔凈室等級適用性評價方案  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)計量解決方案  086
4.3.4　提供流式細胞儀量值溯源方案  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  091
4.4.3　確定非規(guī)則微觀結(jié)構(gòu)的準確定值技術(shù)  092
4.4.4　解決三維顯微鏡橫向示值誤差的校準  094
4.5  服務(wù)公共測試平臺  097
4.5.1　提供微量痕跡的高精度計量解決方案  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 藥物注冊及仿制藥一致性評價領(lǐng)域  102
5.1.1　藥物顆粒粒徑檢測  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　碳量子點負載  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)療器械唯一標識的高度溯源  120
5.3.2　醫(yī)療器械產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的精密測量  121
5.3.3　醫(yī)用魯爾量規(guī)尺寸的無損檢測  123
5.3.4　激光共聚焦顯微鏡的量值溯源  126
5.3.5　研究級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)合電極材料超級電容器開發(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)計量  147
6.2.5　微電子產(chǎn)業(yè)金屬覆蓋層測量量值溯源  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  150
6.3.2　提升微納尺度集成電路產(chǎn)品良率  152
6.3.3　解決錫膏測厚儀溯源問題  154

參考文獻 158

致謝 164