SMU數(shù)字源表IV掃描測試納米材料電性能方案

01

/納米材料電學(xué)性能的表征和分析/

與傳統(tǒng)的材料相比，納米材料具有原子級厚度、表面平整無懸空鍵、載流子遷移率好等優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)電性能很大程度依賴于材料本身的帶隙、摻雜濃度和載流子遷移率。同樣的摻雜濃度下，遷移率越大，電阻率越小，導(dǎo)電率就越高。在納米材料/器件電學(xué)性能的表征和分析中，通常采用霍爾效應(yīng)及電阻率測試法。

霍爾效應(yīng)測試

當(dāng)電流垂直于外磁場通過納米材料時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場的方向會(huì)產(chǎn)生附加電場，從而在半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)測試常用的測試方法是范德堡法，并在測試時(shí)外加磁場。

圖：霍爾效應(yīng)測試系統(tǒng)架構(gòu)

電阻率測試

二維納米材料（如石墨烯）電阻率測試是重要的測試項(xiàng)目，測試方法主要為四探針法與范德堡法。

對于規(guī)則圓形的材料樣品，電阻率測試比較方便的方法是四探針法，四探針法優(yōu)勢在于分離電流和電壓電極，消除布線及探針接觸電阻的阻抗影響。范德堡法為更通用的四探針測量技術(shù)，對樣品形狀沒有要求，且不需要測量樣品所有尺寸。

圖：四探針法測試系統(tǒng)架構(gòu)

圖：范德堡法測試系統(tǒng)架構(gòu)

此外，由于納米材料具有獨(dú)特的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，在制備過程中納米粒子的大小、形狀和結(jié)構(gòu)很難控制，且納米材料的性質(zhì)受表面效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和缺陷效應(yīng)等因素的影響，使其制備和性質(zhì)研究面臨巨大挑戰(zhàn)。

02

/納米材料高溫原位表征技術(shù)/

原位表征技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了科研人員對納米材料的認(rèn)識，使得納米材料的性能研究實(shí)現(xiàn)飛躍性突破。其中原位透射電子顯微分析法(TEM)是實(shí)時(shí)監(jiān)控與記錄位于電鏡內(nèi)的試樣對不同外界激勵(lì)信號的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的一種手段，有助于加速納米材料的開發(fā)和應(yīng)用。

高溫原位表征系統(tǒng)基于高精度數(shù)字源表，控制MEMS芯片在原位樣品臺內(nèi)對樣品構(gòu)建精細(xì)熱場自動(dòng)調(diào)控及反饋測量系統(tǒng)，并結(jié)合透射電子顯微鏡（TEM）研究材料在不同熱場條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)相變、形貌變化、物性變化以及電性變化等關(guān)鍵信息，是納米材料結(jié)構(gòu)表征科學(xué)最新穎、最有發(fā)展空間的表征技術(shù)之一。

圖：原位TEM電性能表征

注：圖片來源于“Phase and polarization modulation in two-dimensional In2Se3 via in situ transmission electron microscopy”

03

/納米材料的典型應(yīng)用及電性能測試方案/

目前，納米材料的應(yīng)用主要集中在電子信息、生物材料、能源等領(lǐng)域，其中在新型電子器件的設(shè)計(jì)和制造上取得很大突破，如納米晶體管、納米傳感器、納米光電子器件等。通過在納米尺度上控制和操縱電子器件和材料的性質(zhì)，使得器件具有更小的尺寸、更低的功耗以及更快的響應(yīng)速度，未來在電子信息及其他科技領(lǐng)域上將會(huì)衍生更大的價(jià)值。因此，針對納米材料的不同應(yīng)用，采用有效的技術(shù)方法和手段對納米材料/器件的性能進(jìn)行深入研究至關(guān)重要。

納米電極材料應(yīng)用及測試表征

碳納米管具有優(yōu)異的機(jī)械性能和電化學(xué)性能，一直在各領(lǐng)域備受關(guān)注。在鋰電池的應(yīng)用中，碳納米管作為電極時(shí)，其獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅能夠有效地連接更多的活性物質(zhì)，出色的電導(dǎo)率也可以大幅降低阻抗。電導(dǎo)率及循環(huán)伏安法是表征電極材料電性能的重要手段，循環(huán)伏安法測試過程中，使用較多的是三電極系統(tǒng)和兩電極體系。

圖：循環(huán)伏安法測試系統(tǒng)架構(gòu)

雙極板（BPP）材料應(yīng)用及測試表征

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種使用氫氣和氧氣作為燃料的電池，通過化學(xué)反應(yīng)生成水，并產(chǎn)生電能。雙極板（Bipolar plate，以下簡稱BP）是燃料電池的一種核心零部件，主要作用為支撐MEA，提供氫氣、氧氣和冷卻液流體通道并分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導(dǎo)熱量，常見的材料有石墨、復(fù)合材料和金屬。作為核心部件，體電阻率測試是雙極板材料性能的重要表征技術(shù)之一。

圖：體電阻率測試系統(tǒng)架構(gòu)

納米壓敏陶瓷材料應(yīng)用及電性能測試表征

壓敏電阻又稱變阻器、變阻體或突波吸收器，其電阻會(huì)隨外部電壓而改變，因此它的電流-電壓特性曲線具有顯著的非線性：

- 在閾值電壓以下，壓敏電阻的阻值很高，相當(dāng)于開路；

- 超過閾值電壓后，壓敏電阻的阻值大大降低，吸收瞬間的能量。

壓敏電阻的電學(xué)特性主要包括壓敏電壓、漏電流、封裝耐壓、響應(yīng)度等方面。由于器件本身耐壓高，測試需要高壓，同時(shí)需要nA級小電流測量能力，推薦使用普賽斯P系列脈沖源表或E系列高電壓源測單元，P系列脈沖源表具備300V高壓，小電流低至1pA；E系列高壓源測單元最大電壓高達(dá)3500V、最小電流低至1nA。

圖：P系列高精度臺式脈沖源表

圖：E系列高電壓源測單元

納米發(fā)電材料應(yīng)用及測試表征

納米發(fā)電機(jī)是基于規(guī)則的氧化納米線，在納米范圍內(nèi)將機(jī)械能、熱能等轉(zhuǎn)化為電能，是世界上最小的發(fā)電機(jī)。目前主要包括：摩擦納米發(fā)電機(jī)、壓電納米發(fā)電機(jī)、熱釋電納米發(fā)電機(jī)、靜電納米發(fā)電機(jī)以及溫差發(fā)電機(jī)等。

由于納米發(fā)電自身的技術(shù)原因，在測試時(shí)具有電流信號微弱（低至μA甚至nA級）；內(nèi)阻大，開路電壓很難測準(zhǔn)；信號變化快，難以捕獲電壓或電流峰值等特點(diǎn)。推薦使用普賽斯S系列直流源表、P系列脈沖源表或CS系列插卡式多通道源表，搭配上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)納米發(fā)電材料輸出電壓以及輸出電流隨時(shí)間變化的曲線：V-t、I-t等，適用于摩擦發(fā)電、水伏發(fā)電、溫差發(fā)電等納米發(fā)電研究領(lǐng)域。

圖：納米水伏發(fā)電測試系統(tǒng)架構(gòu)

圖：納米溫差發(fā)電測試系統(tǒng)架構(gòu)

有機(jī)場效應(yīng)晶體管應(yīng)用及測試表征

有機(jī)場效應(yīng)晶體管（OFET）是一種利用有機(jī)半導(dǎo)體組成的場效應(yīng)晶體管。一般由柵極、絕緣層、有機(jī)有源層、源/漏電極構(gòu)成。主要性能指標(biāo)有遷移率、開關(guān)電流比、閾值電壓三個(gè)參數(shù)，通常用輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線來表征。推薦使用普賽斯SPA6100半導(dǎo)體參數(shù)分析儀來進(jìn)行I-V測試以及C-V測試，可以用來獲取器件的輸出轉(zhuǎn)移特性、柵極漏電流、漏源擊穿電壓等參數(shù)；C-V測試可以確定二氧化硅層厚度dox、襯底摻雜濃度N以及固定電荷面密度Qfc等參數(shù)。

圖：SPA6100半導(dǎo)體參數(shù)分析儀


審核編輯 黃宇