2.1 扫描探针显微镜

    1981年美国IBM公司研制成功的扫描隧道显微镜（STM），把人们带到了微观世界。STM具有极高的空间分辨率（平行和垂直于表面的分辨率分别达到0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原子），广泛应用于表面科学、材料科学和生命科学等研究领域，在一定程度上推动了纳米技术的产生和发展。与此同时，基于STM相似的原理与结构，相继产生了一系列利用探针与样品的不同相互作用来探测表面或界面纳米尺度上表现出来的性质的扫描探针显微镜（SPM），用来获取通过STM无法获取的有关表面结构和性质的各种信息，成为人类认识微观世界的有力工具。下面为几种具有代表性的扫描探针显微镜。

    （1）原子力显微镜（AFM）

    为了弥补STM只限于观测导体和半导体表面结构的缺陷，Binnig等人发明了AFM，AFM利用微探针在样品表面划过时带动高敏感性的微悬臂梁随表面的起伏而上下运动，通过光学方法或隧道电流检测出微悬臂梁的位移，实现探针尖端原子与表面原子间排斥力检测，从而得到表面形貌信息。就应用而言，STM主要用于自然科学研究，而相当数量的AFM已经用于工业技术领域。1988年中国科学院化学所研制成功国内首台具有原子分辨率的AFM。安装有微型光纤传导激光干涉三维测量系统，可自校准和进行绝对测量的计量型原子力显微镜可使目前纳米测量技术定量化。利用类似AFM的工作原理，检测被测表面特性对受迫振动力敏元件产生的影响，在探针与表面10～100nm距离范围，可以探测到样品表面存在的静电力、磁力、范德华力等作用力，相继开发磁力显微镜（MFM，Magnetic Force Microscope）、静电力显微镜（EFM，Electrostatic Force Microscope）、摩擦力显微镜（LFM，Lateral Force Microscope）等，统称为扫描力显微镜（SFM，Scanning Force Microscope）。

    （2）光子扫描隧道显微镜（PSTM，Photon Scanning Tunning Microscope）

    PSTM的原理和工作方式与STM相似，后者利用电子隧道效应，而前者利用光子隧道效应探测样品表面附近被全内反射所激起的瞬衰场，其强度随距界面的距离成函数关系，获得表面结构信息。

    （3）其他显微镜

    如扫描隧道电位仪（STP，Scanning Tunning Potentiometry）可用来探测纳米尺度的电位变化；扫描离子电导显微镜（SICM，Scanning Ion_Conductation Microscope）适用于进行生物学和电生理学研究；扫描热显微镜(Scanning Thermal Microscope)已经获得了血红细胞的表面结构；弹道电子发射显微镜（BEEM，Ballistic Electron Emission Miroscope）则是目前唯一能够在纳米尺度上无损检测表面和界面结构的先进分析仪器，国内也已研制成功。

    2.2 纳米测量的扫描X射线干涉技术

    以SPM为基础的观测技术只能给出纳米级分辨率，却不能给出表面结构准确的纳米尺寸，这是因为到目前为止缺少一种简便的纳米精度（0.10～0.01nm）尺寸测量的定标手段。美国NIST和德国PTB分别测得硅（220）晶体的晶面间距为192015.560±0.012fm和192015.902±0.019fm。日本NRLM在恒温下对220晶间距进行稳定性测试，发现其18天的变化不超过0.1fm。实验充分说明单晶硅的晶面间距具有较好的稳定性。扫描X射线干涉测量技术是微/纳米测量中的一项新技术，它正是利用单晶硅的晶面间距作为亚纳米精度的基本测量单位，加上X射线波长比可见光波波长小两个数量级，有可能实现0.01nm的分辨率。该方法较其他方法对环境要求低，测量稳定性好，结构简单，是一种很有潜力的方便的纳米测量技术。自从1983年D.G.Chetwynd将其应用于微位移测量以来，英、日、意大利相继将其应用于纳米级位移传感器的校正。国内清华大学测试技术与仪器国家重点实验室在1997年5月利用自己研制的X射线干涉器件在国内首次清楚地观察到X射线干涉条纹。

    软X射线显微镜、扫描光声显微镜等用以检测微结构表面形貌及内部结构的微缺陷。迈克尔逊型差拍干涉仪，适于超精细加工表面轮廓的测量，如抛光表面、精研表面等，测量表面轮廓高度变化最小可达0.5nm，横向（X，Y向）测量精度可达0.3～1．0μm。渥拉斯顿型差拍双频激光干涉仪在微观表面形貌测量中，其分辨率可达0.1nm数量级。