纳米计量技术是纳米尺度上的精密测量技术，是先进纳米制造技术的基础。其中，溯源性是纳米计量的基础问题，而研制纳米计量标准物质是实现纳米测量溯源性传递、保证纳米几何量值测试的统一性和准确性的关键环节。为适应纳米计量扁平化量值传递溯源的要求，基于铬跃迁频率，采用原子光刻技术和软X射线干涉技术制备了1D 212.8 nm，2D 212.8 nm，1D 106.4 nm 3种自溯源光栅标准物质；在多层膜沉积技术研制硅纳米线宽结构的基础上，探索了基于硅晶格常数的硅纳米线宽自溯源型测量方法。在应用领域，开展了自溯源光栅对扫描探针显微镜、扫描电子显微镜等高精密测量仪器的校准研究。研究结果表明，自溯源型标准物质及其测量方法缩短了精密仪器和加工技术过程中的纳米长度计量溯源链，是先进纳米制造和新一代信息技术的有力支撑。

激光会聚铬原子沉积实验所需时间可长达几十分钟至几个小时, 实验过程中要求激光频率的波动小于5MHz, 感生荧光稳频技术能够解决原子沉积实验中激光频率漂移的问题。为了保证激光频率的长时间稳定性, 对稳频系统的误差信号随激光功率及原子炉温度的变化情况进行了研究。结果显示, 在光强为8mW, 原子炉温度为1923K时, 激光频率的长期漂移可抑制到最小, 在200分钟内的频率波动仅有±0.6MHz。同时, 重复实验的结果也表明稳频系统具有很好的稳定性, 从而为原子沉积技术提供了保障, 并提高了沉积实验的重复性。

原子通量是影响原子光刻技术制备纳米光栅质量的主要因素之一。应用原子炉管喷发量的理论模型,利用理论与实验相结合的方法,对比研究了三类典型原子炉管构型下的原子通量水平,并基于最优原子炉管构型将研制的铬纳米光栅峰谷高度提升到100 nm,使光栅质量得到进一步优化。

采用近共振激光驻波场会聚铬原子沉积技术制作的原子光栅可以作为纳米级长度计量标准。基于粒子光学模型，综合考虑横向发散角、纵向速度分布以及同位素等影响因素，采用蒙特卡罗方法确定原子运动的初始条件，对激光驻波会聚原子的三维特性进行了研究。获得了不同激光功率下沉积条纹的三维结构，分析了纵向高斯激光分布和椭圆高斯激光截面对沉积条纹的影响。模拟结果表明，当激光功率为40 mW时，可观测的纳米光栅图案能在基板87%区域内出现，对应于高斯光束中心处条纹半峰全宽为31 nm。当高斯激光束截面为圆形时，沉积质量较好。

介绍了刀口法测温原理。在自主研制的铬原子光刻系统上，利用稳定到52Cr的7S3→7P04跃迁上的真空波长为425.5 nm的激光，对高温原子炉喷射的铬原子束进行了一维多普勒冷却准直。设计搭建了刀口法测温实验装置，对激光多普勒冷却准直效果进行了定量评价。在激光功率为45 mW，失谐量为-2.5 MHz，光斑大小为1 mm×20 mm的条件下，观察到了明显的冷却现象。在此基础上采用刀口法测温，测得激光冷却后铬原子束角分布的半峰全宽为(0.616±0.007) mrad，横向温度为(418±10) μK。这些结果为优化调整铬原子束激光冷却准直实验提供了依据。

利用蒙特卡罗随机思想选取轨迹初始条件，将铬原子束同位素、纵向速度分布和横向高斯发散角等因素综合考虑，对原子光刻经典粒子模型进行了优化。将优化后的模型与原模型进行了对比，同时定性分析了表面生长效应。利用新模型在不同激光功率下对沉积过程进行数值模拟，结果表明模拟结果与实验符合得很好。进一步分析了失谐对沉积的影响，当失谐选取250×2π MHz时，可得到较好的沉积结果。该模型较好地整合了沉积过程中的各个影响因素，这为正在进行的实验提供了更好的理论基础。

利用量子理论,通过CRANK-NICOLSON数值方法对23Na原子受激光驻波场作用的物理过程进行模拟.模拟结果表明:正失谐时,原子以λ/2为周期会聚在驻波光场中波节处.随着光势阱加深或原子纵向速度改变,原子会聚结果分别符合薄透镜、厚透镜及沟道化模型.厚透镜模型中,当原子纵向速度增加,原子密度峰位置沿z方向向后漂移,峰在z方向半高宽增加.当激光功率增加或激光束腰减小,会聚面上峰半高宽减小,对比度增加,峰值增加.

纳米结构制作技术中，原子光刻具有独特的优势。为了能够达到纳米制作的要求，并得到所需的沉积条纹，设计了一套实验装置，并分别对原子光刻技术中的原子源、激光系统、稳频系统、原子准直系统和沉积结果进行具体的分析。根据所设计的实验装置，采用分步实验的方式，对各子系统进行了相关数据的采集和测试。其中，稳频精度达到了0．26 MHz精度，铬原子发散角经激光冷却系统由4．5 mrad降低到了0．9 mrad，最后沉积的纳米条纹间距为234 nm条纹高度约为0．276 nm。

利用多普勒原理对Cr原子束进行横向准直.为了得到好的激光准直效果必须首先把激光的中心频率稳定在偏离Cr原子共振中心频率-5±0.26 MHz的位置上.经过多次的理论与实验得出了优化的实验参量,并且得出如果探测光束与准直光束不平行会造成横向线宽的展宽.根据实验数据选择合适的实验参量,实现利用多普勒原理横向准直Cr原子束,得到准直后Cr原子束的横向发散角为0.48 mrad, 横向温度为265 μK.

为了说明原子光刻(Atom Lithography)在纳米计量及传递作用中的特殊地位，首先对纳米计量标准及其现状进行了简要介绍，提出纳米计量中原子光刻的基本概念和优势，结合原子光刻实验装置对原子光刻技术的工作机理进行了分析。结果表明，可以通过原子光刻技术得到纳米量级刻印条纹，为纳米计量及标准传递提供更加精确的手段。最后对常见的2种原子光刻技术——沉积型原子光刻和虚狭缝型原子光刻进行了阐述，指出2者的不同之处，为不同条件下原子光刻提供了一定的借鉴。