微纳笔记 提问作业答案剖析

第一章

1、微纳米材料的三个特性是什么?

答：微尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应。 2、微纳测试的研究内容是什么，并解释其内涵 答: 研究内容: 圆片级测试、管芯级测试和器件级测试。

圆片级测试：主要解决MEMS在工艺线上制造过程中微结构与设计的符合性、微结构之间以及不同批次圆片间的一致性与重复性问题；

管芯级测试：主要解决封装前微器件的成品率的测试问题； 器件级测试：1、检测封装的质量，进行微器件的综合性能测试； 2、考核微器件的可靠性，给出可靠性指标。 3、微纳测试方法有哪两大类 答：接触式测试与非接触式测试。 4、微纳测试仪器有哪几类 答：光学、电子学、探针等。 5、微纳测试的特点

答：1、被测量的尺度小，一般在微纳米量级； 2、以非接触测量为主要手段。

第二章

1、试述光学法在微纳测量技术中的意义（同自动调焦法优点）

答：1、由于是非接触测量，因而对被测表面不造成破坏，可测量十分敏感或柔软的表面；

2、测量速度高，能扫描整个被测表面的三维形貌，且能测量十分复杂的表面结构； 3、用这种方法制成的测量仪器可用在制造加工过程中实现自动化测量。 2、可见光的波长范围 答：400~760nm 3、凸透镜成像的5种形式

答：形式1：当物距大于2倍焦距时，则像距在1倍焦距和2倍焦距之间，成倒立、缩小的实像，物像异侧。

形式2：当物距等于2倍焦距时，则像距也在2倍焦距，成倒立、等大的实像，物像异侧。 形式3：当物距小于2倍焦距、大于1倍焦距时，则像距大于2倍焦距，成倒立、放大的实像，物像异侧。

形式4：当物距等于1倍焦距时，则不成像，成平行光射出。

形式5：当物距小于1倍焦距时，则成正立、放大的虚像，物像同侧。 4、几何光学的成像原理、波动光学的成像原理

答：几何光学成像原理：1、在均匀介质中，光线直线传播；2、光的反射定律；3、光的折射定律；4、光程可逆性原理。

波动光学成像原理：1、光的干涉；2、光的衍射；3、光的偏振。 5、显微镜与望远镜的异同点

答：相同点：（1）都是先成实像，后成虚像 （2）他们的目镜都成正立放大虚像。 不同点：（1）显微镜的物镜成倒立放大实像； （2）望远镜的物镜成倒立缩小的实像

（3）显微镜的放大倍数等于物镜放大倍数乘以目镜放大倍数，而望远镜则不是。 （4）显微镜物镜焦距小，目镜焦距大，望远镜物镜焦距大，目镜焦距小。 6、光学显微镜的分辨率是由目镜决定还是由物镜决定的，为什么

答：样品上的最小分辨距离，即分辨率，实际上是由物镜来决定的。

原因：物镜中的限制圆孔直接影响着形成衍射斑的大小，而圆孔的直径直接与物镜的直径相关：物镜的数值孔径（NA）决定着物镜中部衍射圆孔的大小。由最小分辨率的公式：Rmin可知，物镜的数值孔径越大，能够分辨的最小距离越短。 7、光学显微镜的放大倍数是由什么决定的 答：放大倍数为物镜和目镜的放大倍数之积。 8、什么是数值孔径，如何提高显微镜的分辨率

答：数值孔径：物体与物镜介质的折射率n与物镜孔径角?的一半正弦值的乘积：

?1.22?sample?0.61?NA2sin?

高显微镜

NA?nsin()数值孔径越大，分辨率越高，因此增加数值孔径、减小波长、将物镜浸液可以提

2分辨率。 的

?9.利用波动光学可以形成哪些测试仪器

答：干涉仪、衍射仪、测量显微镜（劳埃德镜、迈克尔逊干涉仪、马赫-泽德干涉仪、泰曼-格林干涉仪、法布里-珀罗干涉仪等（这些列举不用写完）） 10、自动调焦法的优缺点

答：优点：1、由于是非接触测量，因而对被测表面不造成破坏，可测量十分敏感或柔软的表面； 2、测量速度高，能扫描整个被测表面的三维形貌，且能测量十分复杂的表面结构； 3、用这种方法制成的测量仪器可用在制造加工过程中实现自动化测量。

缺点：被测物体表面的反射光能力不同，用自动调焦法测量时，对被测物体表面的光反射度有要求，通常应大于2%

11、自动调焦法测量微位移的原理，与金刚石探针接触测量法相比，自动调焦法有哪些特点

答：原理：自动调焦法源于CD技术。由红外光二极管发出的激光束，经准直镜准直后成为一束平行光，该平行光又经能实现焦距跟踪功能的扫描物镜被聚焦在被测物的表面上。被测物表面所反射的发散光以和入射光相反的方向返回，其中一部分经分光镜分光后入射到聚焦检测器上，形成一个光点。该光点位臵根据被测表面结构可能有3中不同情形：光点在检测器平面上、光点在检测器平面之前、光点在检测器平面之后。由上述两种离焦信号产生一个控制电平信号，用于驱动一个动圈式马达，使扫描物镜跟随运动，直至使扫描物镜能到达聚焦位臵为止。物镜便能始终跟随被测物表面结构的轮廓，由此产生的垂直方向的位移经一个电感式位移传感器转变成测试信号被记录下来。

特点：与金刚石探针接触测量相比，自动调焦法的光点直径要小得多，因而能获取表面的十分细微的结构特征。由于自动测焦法是非接触测量，又是主动调节，因而较金刚石探针测量法，它响应更快，对外部振动较少敏感。

12、什么是三角法，它的用途什么，三角法测量分为哪两种

答：解释：光学三角法是用一束激光经光学系统调节后照射到被测物体表面，形成

一小光斑，经被测物体表面反射后的光线通过成像物镜汇聚成像在光电探测器的光接收面上。被测点的位移信息由该光点在探测器的光接收面上所形成的像点位置决定。当被测物体移动时，光斑相对于物镜的位置发生改变，相应的其像点在光探测器接收面上的位置也将发生改变，根据其像点位臵的变化和测量系统的结构参数可求出被测点的位移信息。由于入射光线和反射光线构成一个三角形，所以该方法被称为光学三角法。

用途：测量被测表面的形貌

分类：斜光学三角法和直光学三角法两种 13、三角法测量中有哪几种检测方案

答：一般有三种，位置敏感探测器（PSD）、CCD线阵探测器、差动式光电二极管。 14、影响三角法测量精度的因素有哪些

答：（1）表面粗糙度的影响（2）被测表面微结构的影响（3）散斑的影响

第三章

1、分辨力、分辨率、放大倍数的基本概念 答：分辨力：显示装臵能有效辨别的最小的示差值

分辨率：样品上的最小分辨距离，指物体分辨细微结构的能力 放大倍数：像与物体的尺寸的比值

2、人眼、光学显微镜、透射电镜、电子扫描显微镜、探针显微镜的分辨力 答：人眼晴分辩率：0.1mm以上；

光学显微镜极限分辩本领是光波的半波长，可见光最短0.4um(半波长：0.2um）；

透射电镜:点分辨(0.3-0.5nm),晶格分辨(0.1-0.2nm)； 电子扫描显微镜:(6-10nm)； 探针显微镜:原子级(0.1nm)； 3、如何提高望远镜与显微镜的分辨率

答：对望远镜：λ不变，尽量增大透镜孔径D，以提高分辨率。 对显微镜：主要通过减小波长来提高分辨率。 4、显微镜的光学参数：放大倍数，工作距离，景深，视场

答：放大倍数：指物体经物镜、目镜两次成像后眼睛所能看到像的大小对原物体大小的比值。是物镜的横向放大率m与目镜的角放大率α的乘积。

工作距离：就是从物镜的前表面中心到被观察标本之间的距离。

景深：当显微镜调焦于某一物平面时，如果位于其前或后的物平面仍能被观察者看清楚，则该二平面之间的距离叫做景深。

视场：从显微镜中能看到的圆形范围叫视场(又叫视野)。 5、光学显微镜有哪几部分组成

答：光学显微镜由1、照明系统；2、光学放大系统；3、机械装置三部分组成。 6、激光扫描显微镜有哪两种工作模式 答：1、自聚焦扫描方式，2、共焦扫描方式。

7、简述共聚焦扫描显微镜的基本原理，并说明如何产生一副完整的图像

答：原理：利用聚焦的激光束在样品表面扫描，同时利用光电检测器件接收样品的反射光（或透射光），样品结构的变化使反射光（或投射光）强度改变因而是光电检测器件的输出电流改变，经信号处理，同步显示在计算机屏幕上。

如何产生一副完整的图像：利用放置在光源后的照明针孔和放置在检测器前的探测针孔实现点照明和点探测，来自光源的光通过照明针孔发射出的光聚焦在样品焦平面的某个点上，该点所发射的荧光成像在探测针孔上，该点以外的任何发射光均被探测针孔阻挡。照明针孔与探测针孔对被照射点或被探测点来说是共轭的，因此被探测点即共焦点，被探测点所在的平面即共焦平面。计算机以像点的方式将被探测点显示在计算机屏幕上，为了产生一副完整的图像，由光路中的扫描系统在样品焦平面上扫描，从而产生一副完整的共焦图像。 8、共聚焦显微镜的优点

答：（1）采用了共聚焦原理，几乎完全排除了杂散光的影响，可获高清晰度、高分辨率的图像。 （2）高放大倍数、高分辨力

（3）制样简单，与普通偏光显微镜相同，无需扫描电镜所要求的专门制样技术。

（4）具有一定深度的穿透力，可进行分层扫描，获得不同穿透深度的图像及三位重组立体图像。 （5）三位定量测定。

9、电子束与固体表面作用会产生哪些信号，这些信号有什么用途

答：可产生二次电子、背散射电子、俄歇电子、荧光、非弹性散射电子、透射电子、绕散射电子、X射线等信号。

用途：将这些信号用探测器收集起来，并转换为电流信号，再送到显像管就可转变为图像。由于从样品表面散射或发射的电子与样品表面的固有特性有直接关系，所以能得到样品表面结构的信息。 10、电子显微镜有哪两种

答：透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM） 11、透射电子显微镜与光学显微镜有哪些异同点

答：相同点：透射电子显微镜是利用电子的波动性来观察固体材料内部的各种缺陷和直接观察原子结构的仪器。尽管复杂得多，它在原理上基本模拟了光学显微镜的光路设计，简单化地可将其看成放大倍率高得多的成像仪器。

不同点：1、一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间，有些甚至可达数百万倍或千万倍；

2、透射电子显微镜是以波长很短的电子束做照明源，而普通光学显微镜采用全视场均匀照明。

12、根据加速电压的大小，透射电子显微镜可以分为哪几种，其加速电压为多少？ 答：（1）一般TEM。最常用的是100KV电镜。 （2）高压TEM。目前常用的是200KV电镜。

（3）超高压TEM。目前已有500KV、1000KV和3000KV的超高压TEM。 13、透射电子显微镜有哪几部分组成

答：透射电镜一般是由电子光学部分、真空系统和供电系统三大部分组成。 14、透射电子显微镜的样品分为哪两种，对样品有什么要求 答：间接样品和直接样品；

要求：（1）供TEM分析的样品必须对电子束是透明的，通常样品观察区域的厚度以控制在约100~200nm为宜。

（2）所制得的样品还必须具有代表性以真实反映所分析材料的某些特征。因此，样品制备时不可影响这些特征，如已产生影响则必须知道影响的方式和程度。 15、扫描电子显微镜的工作原理

答：是用一束极细的电子束扫描样品，在样品表面激发出次级电子，次级电子的多少与样品表面结构有关，次级电子由探测器收集，信号经放大用来调制荧光屏上电子束的强度，显示出与电子束同步的扫描图像。 16、光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜的放大倍数有什么区别

答：一般光学显微镜放大倍数在数十倍到数百倍，特殊可到数千倍。而透射电镜的放大倍数在数千倍至一百万倍之间，有些甚至可达数百万倍或千万倍。扫描电镜图像放大倍数定义为显示器上图像宽度与电子束在试样上相应方向扫描宽度之比。从几十放大到几十万倍，连续可调。 17、什么是仪器设备的有效放大倍数，谈谈你对有效放大倍数的看法

答：是指恰好能够分辨样品上两个质点（姑且叫质点）的放大倍数。进一步放大，也不会再有细节，为虚放大。

18、扫描电子显微镜有哪几部分组成

答：主要包括有电子光学系统、扫描系统、信号检测放大系统、图象显示和记录系统、电源和真空系统等。 19、扫描电子显微镜的特点

答：1、放大倍率高；2、分辨率高；3、景深大；4、保真度好；5、样品制备简单；6、扫描电镜对样品厚度没有限制，可直接观察样品表面的三维立体结构；7、光学显微镜和透射电镜在放大倍数增加时，焦距和景深随之减小，而扫描电镜的放大倍数增加时，焦距不变，景深也基本不减小；8、扫描电镜的放大倍率很广，可以认为扫描电镜填补了光学显微镜和透射电镜之间的空隙；9、避免了因透镜缺陷带来的对

图像分辨率的影响，而且容易把图像记录在存储介质上做进一步处理；10、扫描电镜可以与各种分析技术相结合，构成分析电子显微镜。 20、扫描探针显微镜的基本原理

答：当探针与样品表面间距小到纳米级时，按照近代量子力学的观点，由于探针尖端的原子和样品表面的原子具有特殊的作用力，并且该作用力随着距离的变化非常显著。当探针在样品表面来回扫描的过程中，顺着样品表面的形状而上下移动。独特的反馈系统始终保持探针的力和高度恒定，一束激光从悬臂梁上反射到感知器，这样就能实时给出高度的偏移值。样品表面就能记录下来，最终构建出三维的表面图。 21、扫描探针显微镜的主要特点 答：（1）分辨率高

（2）可实时得到实时间中表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构研究。

（3）可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是体相或整个表面的平均性质。

（4）可在真空、大气、常温等不同环境下工作，甚至可将样品浸在水和其它溶液中，不需要特别的制样技术，并且探测过程对样品无损伤。

（5）配合扫描隧道谱，可以得到有关表面结构的信息。

（6）在技术本身，SPM具有的设备相对简单、体积小、价格便宜、对安装环境要求较低、对样品无特殊要求、制样容易、检测快捷、操作简便等特点，同时SPM的日常维护和运行费用也十分低廉。 22、常用的扫描探针显微镜有哪些

答:扫描隧道显微镜、原子力显微镜、扫描近场光学显微境、弹道电子发射显微镜、扫描力显微镜。 23、扫描隧道显微镜的主要原理

答：是电子的隧道贯穿，电子云占据在样品和探针尖之间。导体的电子是“弥散”的，故有一定的几率位于表面边界之外，电子云的密度随距离的增加而指数式地衰减。这样，被通过电子云的电子流就会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。探针在表面上扫描时，有一套反馈装臵去感受到这一电子流（叫做隧穿电流），并据此使探针尖保持在表面原子的恒定高度上。探针尖即以这种方式描过表面的轮廓。读出的针尖运动情况经计算机处理后，或在银幕上显示出来，或由绘图机表示出来。使针尖以一系列平行线段的方式扫描，使可获得高分辨率的三维表面图像。 24、原子力显微镜的主要原理

答：在原子力显微镜（AFM）的系统中，使用微小悬臂来感测针尖与样品之间的交互作用，这作用力会使悬臂摆动，利用激光将光照射在悬臂的末端，当摆动形成时，会使反射光的位臵改变而造成偏移量，此时激光检测器会记录此偏移量，也会把此时的信号给反馈系统，以利于系统做适当的调整，最后再将样品的表面特性以影像的方式给呈现出来。

25、扫描隧道显微镜有哪两种测量模式，并解释

答：（1）等高测量模式：探针以不变高度在试件表面扫描，隧道电流随试件表面起伏而变化，从而得到试件表面形貌信息。

（2）恒电流测量模式：探针在试件表面扫描，使用反馈电路驱动探针，使探针与试件表面之间距离（隧道间隙）不变。此时探针移动直接描绘了试件表面形貌。 26、原子力显微镜有哪三种测量模式，并解释

答：（1）接触式：探针针尖与试件表面距离＜0.5nm，利用原子间的排斥力。其工作原理是：保持探针与被测表面间的原子排斥力一定，探针扫描时的垂直位移即反映被测表面形貌。 （2）非接触式：探针针尖与试件表面距离为0.5～1nm，利用原子间的吸引力。

（3）敲击模式：该模式介于接触式和非接触式之间。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触（敲击）样品表面。 27、扫描隧道显微镜的主要缺陷

答：1）在扫描隧道显微镜(STM)的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。

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