纳米计量基础与应用

本书是介绍纳米计量的发展现状、相关技术及其在多个产业中应用的一本技术专著，来源于笔者及所在实验室同仁们在纳米计量领域的研究工作。本书以纳米计量为主线，主要包括技术和应用两大部分。在技术部分主要介绍了纳米计量的基本内容以及涉及的纳米检测技术；在应用部分主要选取纳米计量在先进制造产业、生物医药产业、微电子与集成电路产业的典型应用进行介绍。本书通过对纳米计量的基本内容与应用进行介绍得以传承计量文化，普及计量知识，使读者对纳米计量这一小众学科的基础研究有所了解，对我国纳米计量体系有系统、准确的认识。
本书重点介绍了我国自主研发的纳米计量测量仪器的技术指标（已基本达到了国际先进水平），自主研发的纳米几何特征参量标准器及标准物质，同时分享了纳米计量在先进制造、生物医药、微电子与集成电路产业的多个典型应用示范。
本书不仅适合纳米计量相关的工程技术人员参考，也供高等学校仪器科学与技术专业及相关专业师生参阅。

施玉书，研究员，中国计量科学研究院纳米计量研究室主任，微纳计量及应用技术研究团队带头人，博士毕业于天津大学。曾先后在英国国家物理实验室（NPL）与德国联邦物理技术研究院（PTB）做中长期访问学者。主要研究方向为微纳尺度形貌结构的计量与标准化，致力于我国纳米几何量值的等效一致与国际互认，保障我国纳米科技与产业高端精密仪器的量值准确可靠。
担任国家重点研发计划项目"纳米几何特征参量计量标准器研究及应用示范"项目负责人，主持完成了国家级项目课题近10项。长期从事国家最高纳米计量标准装置与多量值多结构纳米几何特征参量国家标准物质的自主研制。研究建立国家计量基标准装置近10项，获批国家有证标准物质近30项，制定相关国家标准9项，制定和报批国家计量技术规范7项，主导/参与国内外比对7项，获得省部级、学会科技奖励10余项。担任国际计量委员会长度咨询委员会纳米工作组（CIPM/CCL/WG-N）成员，ISO/TC 213注册专家、ISO/TC 201 SC9中国代表，东北亚标准合作会议3D数字化（WG11）召集人；担任全国几何量长度计量技术委员会（MTC2）委员以及纳米几何量计量工作组长、全国纳米技术标准化技术委员会纳米检测技术分技术委员会（SAC/TC279/SC2）委员等。

陈鹰，正高级工程师，现任职于上海市计量测试技术研究院材料科学与质量检测中心。1997年毕业于复旦大学化学系，曾先后在上海市计量测试技术研究院气体室、Intertek检验认证集团、上海市计量测试技术研究院理化分析室从事材料领域的计量测试方法研究与理化分析检测工作。先后承担科技部重点研发计划、上海市"科技创新行动计划"近十项，主持国家标准制定四项，参与国标制修定十余项。目前为全国气体标准化技术委员会委员，全国纳米技术标准化技术委员会纳米检测技术分技术委员会委员、上海市计量测试学会分析测试专业委员会主任委员。担任《医用气体工程》、《上海计量测试》编委。曾获上海市科技进步二等奖1次、三等奖2次，上海市标准化优秀成果奖1次。

本书系统阐述了纳米计量的基本概念、国内外纳米计量检测发展现状以及纳米计量的量值溯源与传递等，全面介绍了建立的从国家到地方直至产业的全链条全覆盖的纳米几何量值传递体系，满足产业的共性基础纳米计量需求，并详细介绍了基于纳米几何特征参量计量标准器，面向集成电路、国防军工、先进制造和生物医药等典型产业开展的应用示范案例，将精准的纳米量值与科学的测量方法相结合，直面产业的纳米计量难题，提供解决方案。 ★纳米计量、纳米检测技术的发展、纳米几何量计量体系 ★纳米检测技术：光学显微成像技术、扫描探针显微技术、电子束显微技术、电学测微技术 ★纳米检测技术的产业应用示范：先进制造产业应用示范：平板显示领域、空气净化领域、纳米制造领域、精密加工领域、服务公共测试平台 ★生物医药产业应用示范：药物注册及仿制药一致性评价领域、纳米药物研究领域、医疗器械领域、公共安全领域 ★微电子与集成电路产业应用示范：元器件研制、关键参数测量领域、失效分析领域

纳米科学是在纳米尺度（从原子、分子到亚微米尺度之间）上研究物质的相互作用、组成、特性与制造方法的科学。它汇聚了现代多学科领域在纳米尺度的焦点科学问题，促进了多学科交叉融合，孕育着众多的科技突破和原始创新机会。同时，纳米科技对高新技术的诞生，对我们的生产、生活也将产生巨大的影响。从20世纪80年代开始，纳米科技引起了人们的广泛关注。2000年，美国率先发布了“国家纳米技术计划（NNI）”，掀起了国际纳米科技研究热潮。中国高度关注纳米科技发展，与国际同步进行了布局，于2000年成立了国家纳米科学技术指导协调委员会，在《国家中长期科学和技术发展规划（2006—2020年）》中部署了纳米科技作为重大科学研究计划。这些措施极大地推动了中国纳米科技的发展。
在过去二十年间，纳米科技在世界范围得到了很大的发展，对人类社会生活进步产生了巨大影响。纳米科学研究和技术应用已经遍布材料与制造、电子与信息技术、能源与环境、医学与健康领域。纳米计量是纳米产业发展的基础，纳米几何特征参量计量标准器作为实现纳米量值从国家计量基准传递到纳米产业的关键载体，是纳米量值传递体系中至关重要的一环。中国计量科学研究院联合高等院校，研制了一维、二维栅格和线宽等几何特征参量计量标准器，实现了高精度定值、校准和溯源，并基于全国先进省市级计量技术机构建立了从国家到地方直至产业的全链条、全覆盖的纳米几何量值传递体系，面向集成电路、国防军工、先进制造和生物医药等典型产业展开应用示范，从根本上解决了我国纳米计量标准器缺失和量传体系与产业脱节的问题，打破国外垄断，提升了产品质量和国际竞争力。
本书对我国纳米计量体系进行了基本介绍，首先是基于扫描探针法、电子束显微法与光学法等不同测量原理多台量值溯源至米定义国际单位制（SI）单位的计量装置，其次是纳米几何特征参量计量标准器，最后基于标准器在纳米产业密集地区广泛建立纳米计量标准，形成了覆盖全国的纳米几何量值传递体系。
第1章简单回顾了科技创新、纳米科技、纳米计量等方面的国家战略，由科技创新到纳米科技再到纳米计量。
第2章围绕纳米计量是通过不间断溯源链将几何量测量结果与国际单位制基本单位建立联系的特点，首先介绍了纳米量值溯源与传递的过程以及纳米计量技术的发展，然后着重介绍了我国现有的纳米几何量计量体系，包括建立的纳米计量标准装置和研制的纳米几何量标准器或标准物质。
第3章集中介绍了纳米计量体系中覆盖的多种检测技术的工作原理。主要包括光学显微成像技术、扫描探针显微技术、电子束显微技术、电学测微技术等。读者可通过这一章学习到纳米计量检测技术的基本原理。
第4章至第6章依托国家重点研发计划“纳米几何特征参量计量标准器研究及应用示范”（项目编号2018YFF0212300），总结了40多个服务先进制造产业、生物医药产业、微电子与集成电路产业中的相关企业的典型案例，为读者进行科学研究提供经验参考。
展望未来，我们需要实现对纳米尺度基础研究的突破，需要加快填补基础与应用之间的沟壑，满足更多来自国防军工、先进制造与生物医药等领域的重大需求。希望通过我们的共同努力，纳米科技能实现更多原创性突破，更多应用成果开花结果、落地生根，服务国家、造福人民，为中国早日成为世界科技强国做出应有的贡献。

著者

第1章 绪论 001

第2章 纳米计量 003
2.1 纳米计量的溯源与传递  004
2.1.1　纳米量值的溯源  004
2.1.2　纳米量值的传递  006
2.2 纳米检测技术的发展  008
2.2.1　光学显微镜  009
2.2.2　扫描探针显微镜  010
2.2.3　电子显微镜  012
2.3 纳米几何量计量体系  014
2.3.1　计量基准组成  016
2.3.2　纳米几何量计量标准  023
2.4 国内外纳米计量领域相关委员会  028
2.4.1　纳米计量领域国外计量技术委员会  028
2.4.2　纳米计量领域国内计量技术委员会  029
2.4.3　纳米计量领域国外标准化委员会  029
2.4.4　纳米计量领域国内标准化委员会  029

第3章 纳米检测技术 031
3.1 光学显微成像技术  031
3.1.1　白光干涉仪  031
3.1.2　激光共聚焦显微镜  034
3.1.3　X射线衍射仪  036
3.1.4　椭偏仪  038
3.1.5　动态光散射  040
3.2  扫描探针显微技术  043
3.2.1　扫描隧道显微镜  043
3.2.2　原子力显微镜  046
3.2.3　磁力显微镜  050
3.2.4　静电力显微镜  051
3.2.5　横向力显微镜  053
3.2.6　触针式台阶仪  054
3.3 电子束显微技术  055
3.3.1　透射电子显微镜  055
3.3.2　扫描电子显微镜  059
3.4 纳米位移测量技术  061
3.4.1　激光干涉系统  061
3.4.2　电容测微系统  063
3.4.3　电感测微仪  064

第4章 先进制造产业应用示范 067
4.1 平板显示领域  067
4.1.1　建立平板显示微纳几何参数量值溯源体系  068
4.1.2　提供薄膜关键参数计量检测解决方案  071
4.1.3　解决测量设备的在线校准难题  072
4.1.4　助推企业对显示器质量进行评定  073
4.2 空气净化领域  074
4.2.1　自主研发表面尘埃粒子计数器  074
4.2.2　超高效过滤器检测用纳米微球制备及定值研究  076
4.2.3　提供洁净室等级适用性评价方案  078
4.2.4　提供净化器滤材微观形貌表征方案  080
4.3 纳米制造领域  082
4.3.1　定值色谱纳米芯  082
4.3.2　SERS芯片微纳结构定值技术  084
4.3.3　提供超导材料制造关键参数计量解决方案  086
4.3.4　提供流式细胞仪量值溯源方案  087
4.4 精密加工领域  089
4.4.1　助力汽摩部件质量提升  089
4.4.2　助力汽车塑料电镀零件检测  091
4.4.3　确定非规则微观结构的准确定值技术  092
4.4.4　解决三维显微镜横向示值误差的校准  094
4.5  服务公共测试平台  097
4.5.1　提供微量痕迹的高精度计量解决方案  097
4.5.2　助力高校微纳米材料几何尺寸技术研究  098
4.5.3　协助提升食品、化妆品安全的研判能力  099

第5章 生物医药产业应用示范 101
5.1 药物注册及仿制药一致性评价领域  102
5.1.1　药物颗粒粒径检测  102
5.1.2　粉体药物比表面积分析  104
5.1.3　固体骨架密度测定  106
5.2 纳米药物研究领域  108
5.2.1　智能前药纳米粒微观形态  110
5.2.2　碳量子点负载  112
5.2.3　DNA折纸术表征  114
5.2.4　DNA修饰金电极表征  117
5.3 医疗器械领域  120
5.3.1　医疗器械唯一标识的高度溯源  120
5.3.2　医疗器械产品几何结构参数的精密测量  121
5.3.3　医用鲁尔量规尺寸的无损检测  123
5.3.4　激光共聚焦显微镜的量值溯源  126
5.3.5　研究级透反射正置材料显微镜的溯源  127
5.4  公共安全领域  129
5.4.1　化学药药用玻璃包装的脱片研究  129
5.4.2　公安刑侦痕量生物检材的X射线能谱鉴定  131

第6章 微电子与集成电路产业应用示范 135
6.1 元器件研制领域  136
6.1.1　测温仪核心传感器的研制  136
6.1.2　石墨烯纳米复合电极材料超级电容器开发研究  138
6.1.3　石墨烯微流控芯片传感器研发  140
6.2 关键参数测量领域  142
6.2.1　半导体行业线宽量值溯源  143
6.2.2　半导体器件薄层材料关键参数量值溯源  145
6.2.3　电子互联中台阶高度关键参数量值溯源  146
6.2.4　微电子元器件微观形貌特征参数计量  147
6.2.5　微电子产业金属覆盖层测量量值溯源  148
6.3 失效分析领域  150
6.3.1　助力印制电路板失效分析检测  150
6.3.2　提升微纳尺度集成电路产品良率  152
6.3.3　解决锡膏测厚仪溯源问题  154

参考文献 158

致谢 164