一、調(diào)查情況說明
1.調(diào)查背景
納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年，國際納米科技指導(dǎo)委員會將納米技術(shù)劃分為納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)和納米計量學(xué)等6個分支學(xué)科。其中，前5個分支學(xué)科主要以納米材料和納米器件為研究對象。納米計量學(xué)則以納米尺度范圍內(nèi)的檢測與表征為主要研究內(nèi)容。納米尺度范圍內(nèi)的檢測與表征既是納米技術(shù)研究必不可少的手段，也是納米理論與實驗的重要基礎(chǔ)。
2.調(diào)查目的
圍繞具體應(yīng)用目標(biāo)，秉持為社會公眾提供高質(zhì)量服務(wù)的觀點，基于納米技術(shù)領(lǐng)域計量是根據(jù)新的價值觀開發(fā)產(chǎn)品或技術(shù)，通常沒有合適的評價準(zhǔn)確性、可靠性的手段和方法。因此，產(chǎn)品或技術(shù)的開發(fā)者需要自己來準(zhǔn)備新的評價方法的計量特點，調(diào)研國際、國內(nèi)納米計量領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢，比較我國納米計量標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究的優(yōu)勢和劣勢，為我國標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究發(fā)展戰(zhàn)略提供參考意見。
3.調(diào)查范圍及對象
為最大限度地全面了解世界各國，尤其是納米技術(shù)先進(jìn)國家在此領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的現(xiàn)狀及研究情況，調(diào)研范圍涉及國際計量局(BIPM)、國際計量委員會(CIPM)及五大洲十幾個國家/地區(qū)的計量院和計量組織，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)、日本國家計量院(NMIJ)、歐盟ENG(Nanoform)、德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院(PTB)、德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所(BAM)，英國國家物理實驗室(NPL)、英國獨立化學(xué)分析實驗室(LGC)，韓國國家計量院(KRISS)以及南非、法國、加拿大、澳大利亞、中國臺灣、中國香港等。國內(nèi)主要調(diào)研對象是國家納米中心、質(zhì)檢單位和各科研院校。
調(diào)研對象主要是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)尺寸范圍≤2μm、薄膜表面材料厚度范圍≤2μm以及所采用測量設(shè)備是納米技術(shù)常用表征設(shè)備的研究對象。其他有機(jī)、無機(jī)材料組成，磁學(xué)、光學(xué)、力學(xué)單位大于微米級的研究對象沒有包括在本調(diào)研對象中。
4.調(diào)查內(nèi)容
通過標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書等信息渠道，對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的溯源性、特性量值、定值方法、使用目的進(jìn)行軟評價。由于納米技術(shù)的尖端性及其計量特點，調(diào)查內(nèi)容還包括數(shù)據(jù)庫和有效測量方法。
5.調(diào)查方式和調(diào)查表
調(diào)研方式主要是通過各個國家計量院網(wǎng)站查找標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書等信息渠道對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行評價。
二、資源介紹
根據(jù)納米技術(shù)領(lǐng)域計量產(chǎn)品或技術(shù)的開發(fā)者需要自己來準(zhǔn)備新的評價方法的計量特點，納米技術(shù)領(lǐng)域的研究一反傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域先有成熟的產(chǎn)業(yè)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)需求進(jìn)行計量內(nèi)容的研究，而是納米計量與納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)齊驅(qū)并進(jìn)甚至于超前產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)剛剛起步，納米計量的研究成果相對較少，主要集中在用于納米粉體材料、表面/界面材料、環(huán)境安全評估的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以及數(shù)據(jù)庫的建立。數(shù)據(jù)庫的建立成為納米計量的一大特點，只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有此領(lǐng)域的研究成果。
我國目前在納米計量研究方面剛剛起步，中國計量科學(xué)研究院建立了計量型原子力顯微鏡納米測量系統(tǒng)，測量分辨率為(x，y，z)=(1.2nm，0.25nm，0.25nm)，主要用于納米級臺階、膜厚、線寬和兩維納米結(jié)構(gòu)的測量。參加完成Si上SiO2厚度測量的表面分析比對、Fe-Ni合金薄膜組成的表面分析測量、C膜中N含量的測定等有關(guān)納米計量方面的國際比對，使測量方法和量值獲得國際互認(rèn)。發(fā)布單分散微粒粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)3種，粒徑范圍為(100～1000)nm。近期，1種比表面積標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)通過評審。
三、資源分析
1.資源供應(yīng)狀況分析
圖1和圖2分別是各國發(fā)布的用于納米科技領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)總量圖和品種數(shù)量圖。從圖中可以看出，各國發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)總量都不大，品種也不是很多，這與納米科技領(lǐng)域技術(shù)、產(chǎn)業(yè)處于發(fā)展初期的現(xiàn)實有關(guān)。美國總量最多，達(dá)34個，中國和英國總量最少，只有三四個。美國標(biāo)物品種也最多，有9種；中國最少，只有1種顆粒尺寸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。總之，目前美國無論從數(shù)量上還是品種上都處于領(lǐng)先地位。歐洲各國及日本數(shù)量和種類差別不大，韓國雖然在標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)總量上相對較高，但是品種較少。中國無論從標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)總量還是品種上都跟發(fā)達(dá)國家存在很大差距。
<CTSM>圖1各國發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)總量圖</CTSM>
<CTSM>圖2各國發(fā)布標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)品種數(shù)量圖</CTSM>
表1為各國標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的分布情況。從表中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的品種主要分布在納米粉體材料(如粒子直徑、比表面積、孔尺寸)及表面化學(xué)分析(如濺射深度、薄膜組成、二維光柵)。納米粉體材料是納米技術(shù)領(lǐng)域目前最成熟的產(chǎn)業(yè)，因此標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的數(shù)量相對較多。表面化學(xué)分析是納米器件構(gòu)造的基礎(chǔ)和最關(guān)鍵部分，涉及技術(shù)多，因此對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)需求種類也多。特別是美國發(fā)布了用于納米器件構(gòu)造的二維光柵、用于測量碳納米管儀器拉曼光譜的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、多個用于測量納米材料晶體結(jié)構(gòu)儀器X射線衍射儀標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、一個關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)/組成標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。中國只發(fā)布了與納米粉體材料有關(guān)的粒子直徑和比表面積標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其他方面標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)還是空白。
<CTSM>表1各國標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分布表</CTSM>
2.資源使用狀況分析
除美國1993年和1998年發(fā)布的SRM2137和SRM2135c外，其他所有標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)都是2000年以后發(fā)布的，并且大部分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)都是2005年以后發(fā)布或修訂的。因此，調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)都在有效期內(nèi)，這些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)集中在三四年內(nèi)發(fā)布，這也標(biāo)志著納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)在這段時間開始起步。
3.資源質(zhì)量狀況分析
從資源調(diào)查表中可以看出，只有6種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為無證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，占標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)總量的5%，95%的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)都為有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。這6種無證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與納米計量的定值技術(shù)相關(guān)，如RM8011-RM8013使粒子直徑小于100nm的金納米粒子標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其定制方法采用了原子力顯微鏡(AFM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、小角X射線散射儀(SAXS)、電噴微分遷移分析儀(DMA)、動態(tài)光散射(DLS)。當(dāng)金納米粒子尺寸小于100nm時，粒子的形狀不再是完整的圓形粒子，粒子排列也不能保證是緊致排列，因此，在小于100nm尺寸范圍內(nèi)的定值不同于傳統(tǒng)粒子尺寸定值，有更多的不確定因素，所以采用不同測量原理的測量方法，定值結(jié)果有較大差別。這也體現(xiàn)了納米技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值的特點。還有一種無證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)SEM尖銳度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其量值為一種圖像，而不是一個確定的量，這是納米技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的另一個特點。
4.資源發(fā)展?fàn)顩r分析
(1)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備技術(shù)
鑒于納米尺寸賦予納米材料特殊性能，因此，此類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的制備在外部環(huán)境支持和設(shè)備方面有較高的要求。
外部環(huán)境:在超凈間進(jìn)行，確?？諝庵械碾s質(zhì)不能進(jìn)入樣品；控制環(huán)境溫/濕度，保證溫度、濕度對樣品沒有影響；有的樣品制備要求在惰性氣氛中進(jìn)行。
設(shè)備方面:除了粉體材料合成需要的反應(yīng)釜或高壓反應(yīng)釜等，在薄膜制備、表面刻蝕等方面需要特殊的物理技術(shù)和超高真空系統(tǒng)。
(2)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值技術(shù)
納米計量及測量技術(shù)有四大特點:納米尺寸范圍內(nèi)可見(See)、建模型(Model)、可測量(Measure)、可操縱(Manipulate)。RM8011-RM8013、RM8091等標(biāo)物的定值方式體現(xiàn)了納米計量與測量技術(shù)的這些特點。納米計量與測量的技術(shù)特點使原子力顯微鏡、高分辨透射電鏡、掃描電子顯微鏡、小角X射線衍射(散射)儀、中子衍射儀成為納米計量領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的測量儀器。
(3)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值表達(dá)
根據(jù)納米計量及測量技術(shù)可見、可操縱、建模、可測量的特點，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量值表達(dá)除了明確的量值外，還出現(xiàn)了新的特點:①用圖像表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值；②用模型表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值；③用圖形表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值。
(4)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溯源性
大部分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(如尺寸量值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以及部分晶體組成、晶格參數(shù))都能夠溯源到SI國際單位；有些標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值溯源至有效測量方法，如標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)SRM1878a、SRM1879a、SRM2241、SRM2242；還有以圖像表達(dá)量值的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)甚至不能溯源，如RM8091。
(5)發(fā)展趨勢
對納米尺寸范圍的目標(biāo)進(jìn)行測量，為了保證小尺寸范圍內(nèi)的測量準(zhǔn)確度，所采用的光源要求越來越高，除了紅外、紫外、激光，更短波長的光源(如X射線、中子等)用來測量納米材料。另外測量原理越來越復(fù)雜，設(shè)備配置的程序軟件(如積分球、傅立葉變換等)在測量過程中也直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的發(fā)展趨勢是:①除了繼續(xù)研發(fā)溯源到SI國際單位制的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以外，那些納米技術(shù)領(lǐng)域(如微電子行業(yè))特有的、急需的但是沒有溯源源頭的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(如柵格銳度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì))，以圖像作為測量結(jié)果成為未來的發(fā)展趨勢。在這方面，美國首開先河，嘗試發(fā)布了適應(yīng)工業(yè)需求的此類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)RM8091。②由于納米材料的直接、廣泛應(yīng)用，使納米材料結(jié)構(gòu)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)成為未來的研發(fā)方向。在這方面，美國和日本已經(jīng)開始行動起來，發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。英國、德國也開始將這類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為未來的研究方向。③由于納米材料的尺寸效應(yīng)使納米材料在存放過程中易團(tuán)聚，非常不穩(wěn)定。所以納米材料不能長期存放，但是測量得到的結(jié)構(gòu)、性能數(shù)據(jù)可以長期保存。借助現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，將得到的結(jié)構(gòu)、性能數(shù)據(jù)(包括量值、圖像、圖表)建成電子檔案，構(gòu)成可利用信息時代技術(shù)的數(shù)據(jù)庫成為各國計量院的發(fā)展規(guī)劃，也是未來納米計量的發(fā)展趨勢。目前，美國、英國、德國、日本等國都相繼建立了不同材料的數(shù)據(jù)庫，而中國在數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面仍屬空白。
注:由于納米計量是計量領(lǐng)域中剛剛發(fā)展的一個分支，各國在納米計量方面都處于規(guī)劃和起步階段。在本項目調(diào)查過程中，由于通過網(wǎng)上調(diào)查，各國計量院對網(wǎng)站建設(shè)風(fēng)格不一，因此調(diào)查到的具體內(nèi)容不是很一致，比如在NIST網(wǎng)站調(diào)查到的標(biāo)物在標(biāo)物證書中從溯源途徑到測量手段都很全面，而在韓國計量院網(wǎng)站上只能檢索到標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證號，檢索不到具體的證書。
