尹志珺 1,2,3,4,5王振兴 1,2,3,4,5李荃 1,2,3,4,5宋仁康 1,2,3,4,5[ ... ]雷李华 6
1 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
2 同济大学 精密光学工程技术研究所，上海 200092
3 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
4 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
5 上海市全光谱高性能光学薄膜器件及应用专业技术服务平台，上海 200092
6 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
二维材料由于其独特的物理化学性质，对纳米光子学及光电子学的应用与发展具有重要研究价值。特别是二维材料中声子与光子耦合激发产生的声子极化激元高度局域在纳米尺度，在片上光子学的光学操控和能量传输等前沿研究领域具有极大的应用潜力。同时，光电器件制造进入纳米节点，器件应用对材料表征精度具有纳米级的要求。然而目前对声子极化激元特性分析的关键之一在于测量其干涉条纹周期，测量结果准确性依赖于仪器设备校准。因此，为实现对声子极化激元干涉条纹的精确测量，文中提出构建铬原子自溯源型光栅与二维材料的复合结构，分析金属光栅结构周期性变化对二维材料的声子极化激元耦合增强与调制作用，以及基于该原理实现对声子极化激元干涉条纹周期的精密测量。研究实现了测量干涉条纹周期为(261.01±0.34) nm的亚纳米级高精度测量，相比具有不确定度为4 nm的传统拟合测量方式具有可溯源的计量精度，同时实现了对测量仪器的亚纳米级精密校准。自溯源光栅天然溯源至基本自然常数的特性使得测量结果具备极好的准确性和可靠性，为二维材料在微纳光子学器件领域的应用提供了保障。
自溯源光栅 二维材料 声子极化激元 纳米计量 self-traceable grating two-dimensional material phonon polariton nanometer metrology 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230414
同济大学 物理科学与工程学院 精密光学工程技术研究所，先进微结构材料教育部重点实验室，上海市数字光学前沿科学研究基地，上海市全光谱高性能光学薄膜器件与 应用专业技术服务平台，上海200092
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。
纳米科技 纳米计量 自溯源标准物质 原子光刻技术 软X射线干涉光刻技术 多层膜沉积技术 nanotechnology nanometrology self-traceable reference material atom lithography soft X-ray interference lithography multilayer deposition technology 光学 精密工程
2022, 30(21): 2608
1 河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454003
2 德国联邦物理技术研究院，德国 布伦瑞克 D-38116
超精密纳米位移台常用于扫描探针显微镜、光学显微镜等高精度分析仪器中，其纳米机械性能的精密计量和校准对显微测量系统的性能起着关键作用。基于一种双通道结构差动式平面镜干涉测量与校准方法（英国国家物理实验室），文中对一种超精密位移台的关键计量特性进行了定量研究。构建了基于现场可编程门阵列（FPGA）和LabView的高精度稳频激光干涉数据采集和数据解码系统，使其可溯源超精密纳米位移台的准静态校准计量特性。进一步地，利用该干涉测量系统对超精密位移台的计量特性进行了校准和分析。测试结果显示，该激光干涉校准系统在准开放环境中的背景噪声低于10
${\rm{pm/}}\sqrt {{\rm{Hz}}} $![]()
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；该超精密位移台具有优良的纳米机械性能，其线性度低于1.2×10
−4，分辨率达40 pm，重复性和稳定性较好。上述对校准设备准静态性能和对纳米位移台计量特性的测试结果表明，所提出的方法和系统能够对纳米位移台进行计量，从而用于小于几皮米的皮米级压痕测量以及原子尺度上的大范围测量。
红外与激光工程
2021, 50(11): 20210070
单晶硅晶格间距是许多重要物理常数测量的基础。本文介绍了硅晶格间距测量技术的发展历程，包括X射线干涉仪直接测量和晶格比较仪间接测量两种方法，以及影响测量结果不确定度的关键因素。得益于晶格间距测量的进展，在纳米尺度，硅晶格间距被国际计量局(BIPM)批准成为新的米定义复现形式。最后介绍了硅晶格在计量学中的应用，以及基于硅晶格实现纳米几何量测量的溯源体系的研究趋势。
单晶硅 晶格间距 X射线干涉仪 晶格比较仪 纳米计量 single crystal silicon lattice spacing X-ray interferometer lattice comparator nano metrology
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。
原子与分子物理学 纳米计量 传递标准 原子光刻 纳米光栅 原子通量 光学学报
2018, 38(12): 1202001
1 同济大学 物理科学与工程学院, 上海 200092
2 上海市计量测试技术研究院, 上海 201203
由于利用快速傅里叶变换(FFT)法定量测量标准样板的平均节距时会因为频谱分辨率Δf有限而在数据分析过程中丢失信息, 故本文对常用的FFT法进行了改进。首先在FFT的频谱中得到最大振幅值对应的频率分量fmax, 使用二分法缩小fmax附近的频率范围;然后利用连续傅里叶变换法寻找更大的振幅值与更精确的f′max以求得更接近真实值的线节距。为了验证该方法的可行性, 利用Matlab软件仿真被测标准样板(TGD1)的轮廓图, 比较了FFT与改进后的FFT对不同扫描长度下数据的评估结果, 并展示了改进FFT法评估时部分数据的运算过程。同时, 通过计量型原子力显微镜实测20 μm×2 μm内的TGD1形貌。两种评估法下的数据比对结果显示: 改进FFT评估后的线节距为(277.84±039) nm, 符合标称值(278±1) nm, 验证了改进后FFT方法对线节距求解的准确性与合理性。
快速傅里叶变换法 线节距 一维线间隔标准样板 微纳米计量 Fast Fourier Transforms(FFT) method pitch one dimensional grating micro-nano scale metrology
清华大学 精密仪器系 精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京 100084
随着纳米科学的迅速发展,对纳米计量技术也提出了更高要求。目前,纳米计量技术已经实现在几十微米量程范围内具有亚纳米甚至皮米量级的测量分辨率。回顾了现在主要的纳米计量技术,包括激光干涉仪、差拍F-P干涉仪、X射线干涉仪、光学+X射线干涉仪、基于频率测量技术和光频梳技术等,介绍了其工作原理、技术特点、应用范围及其最新研究进展。
纳米计量 干涉仪 光频梳 nanometrology interferometer optical frequency comb
针对纳米结构表征和纳米制造的质量控制需要，中国计量科学研究院设计并搭建了一台计量型原子力显微镜用于纳米几何结构的测量。为了将位移精确溯源到国际单位米，研制了单频8倍程干涉仪测量位移，样品表面形貌则由接触式原子力显微镜测量。一个立方体反射镜与原子力显微镜的测头固定，作为干涉仪的参考镜。两个互相垂直的干涉仪用于测量样品与探针在x -y方向的相对位置。样品台置于具有三面反射镜的零膨胀玻璃块上，由压电陶瓷位移台驱动。另外两台干涉仪测量样品与探针在z方向的位移，探针针尖位于干涉仪光束的交点以减小Abbe误差。由于光学器件的缺陷产生的相位混合会引起非线性误差，采用谐波分离法拟合干涉信号来修正误差，修正后干涉仪测量误差减小为0.7 nm。
原子力显微镜 纳米计量 位移测量 多倍程干涉仪 非线性 atomic force microscope nanometrology displacement measurement multi-pass interferometer nonlinearity
1 同济大学物理系, 上海 200092
2 中国计量学院计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
3 清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京, 100084
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。
激光光学 原子光刻 纳米计量 激光驻波场 蒙特卡罗方法 光学学报
2011, 31(11): 1114001
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。
激光光学 原子光刻 纳米计量 粒子光学 蒙特卡罗方法
