如何精確表征柔性電子的電學(xué)性能？

近年來(lái)，由于導(dǎo)電高分子材料研究的突破，有機(jī)材料從傳統(tǒng)的絕緣體變成可導(dǎo)電的半導(dǎo)體，柔性電子應(yīng)運(yùn)而生。柔性電子是將有機(jī)或無(wú)機(jī)材料制作在柔性可拉伸基板上的新電子制備技術(shù)，可使材料在彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、拉伸等連續(xù)機(jī)械變形下仍然保持較高的電學(xué)特性，整合了光、電、感測(cè)等功能。

柔性薄膜材料電性能表征

柔性電子作為一個(gè)新興快速發(fā)展的行業(yè)，開(kāi)發(fā)高性能、高穩(wěn)定性的柔性材料和器件是當(dāng)前的重點(diǎn)。隨著二維納米材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，微米級(jí)柔性電子成為研究的重要趨勢(shì)之一，許多制備、測(cè)試、分析過(guò)程中的難題在柔性電子研究領(lǐng)域也變得越來(lái)越突出，其中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)就是精確測(cè)量這些小型化材料、器件的電學(xué)性能。

柔性薄膜材料的厚度尺寸一般小于1μm，在集成電路、太陽(yáng)能電池、生物傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。表面電阻率是評(píng)估柔性薄膜材料電學(xué)性能的重要手段之一，有助于了解材料的物理、化學(xué)性質(zhì)，從而優(yōu)化制備工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

柔性薄膜材料表面電阻率測(cè)試通常采用四探針測(cè)量法，通過(guò)在材料上放置兩對(duì)等間距電極（內(nèi)電極和外電極）,外電極注入電流，電流流經(jīng)材料在內(nèi)電極上會(huì)產(chǎn)生一定的電壓差，通過(guò)測(cè)量電壓差和流經(jīng)材料的電流，可以計(jì)算出材料的電阻率。

圖：四探針?lè)y(cè)試柔性薄膜材料表面電阻率系統(tǒng)架構(gòu)

此外，柔性電子材料在使用過(guò)程中會(huì)被反復(fù)彎折扭曲，在此過(guò)程中材料表面和內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)都會(huì)逐漸發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的電學(xué)性能和壽命，如何精確測(cè)試材料和器件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)變得困難。

柔性電子材料動(dòng)態(tài)測(cè)試

傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試方案，需要搭配一臺(tái)電壓源、電流表進(jìn)行人工測(cè)量,再手動(dòng)算出阻值的變化，無(wú)法測(cè)試器件的動(dòng)態(tài)連續(xù)變化過(guò)程，而且對(duì)于測(cè)量精度要求較高及與折疊裝置同步要求精度高的場(chǎng)景無(wú)法保證。

基于普賽斯高精度數(shù)字源表，搭配力學(xué)測(cè)試機(jī)臺(tái)，可以組合不同動(dòng)作的測(cè)試夾具，模擬出拉、扭、彎、折、卷等5種基本動(dòng)作，11個(gè)基礎(chǔ)模擬測(cè)試動(dòng)作，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料的V-t、I-t以及R-t的變化曲線，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提升測(cè)試效率。

圖：柔性電子材料動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

圖：普賽斯高精度數(shù)字源表選型

圖：柔性電子材料動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)夾具

柔性電子材料典型應(yīng)用及電性能測(cè)試方案

目前，柔性電子材料開(kāi)創(chuàng)了全新的應(yīng)用場(chǎng)景，在可穿戴設(shè)備、電子皮膚、柔性顯示、柔性傳感和人工智能等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。與硅類(lèi)材料相比，兼具了單位面積成本低的優(yōu)點(diǎn)。相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，2019年全球柔性電子市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到14.2億美元，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到3049.4億美元，2019~2025年CAGR（復(fù)合年增長(zhǎng)率）為144.71%。但是因?yàn)槿嵝噪娮硬牧蠎?yīng)用和開(kāi)發(fā)的歷史并不長(zhǎng)，其中很多關(guān)鍵材料、關(guān)鍵裝備、核心技術(shù)仍需要改善和開(kāi)發(fā)，特別是在高、精、尖裝備方面基礎(chǔ)薄弱，嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，被制約風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，采用可靠的技術(shù)手段和測(cè)試設(shè)備精確表征柔性電子材料的電學(xué)性能，將有效推動(dòng)柔性電子材料的研究。

01、柔性QLED電性能表征

QLED是一種基于量子點(diǎn)電致發(fā)光原理的主動(dòng)發(fā)光顯示技術(shù)，具有超薄、高色域、可柔性、高對(duì)比度等特點(diǎn)，在可穿戴設(shè)備及人工智能領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。QLED的性能好壞主要關(guān)注發(fā)光性能（發(fā)射光譜、發(fā)光亮度、發(fā)光效率、發(fā)光色度和壽命）以及電性能（電流與電壓的關(guān)系、發(fā)光亮度與電壓的關(guān)系等）。其中，電流-電壓-亮度（IVL）指標(biāo)是QLED器件的重要參數(shù)，通過(guò)普賽斯S系列直流源表或P系列脈沖源表，以及亮度計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)QLED器件的IVL曲線、EQE等光電參數(shù)的測(cè)試。

圖：柔性QLED電性能表征系統(tǒng)架構(gòu)

02、導(dǎo)電水凝膠電性能表征

導(dǎo)電水凝膠將親水性基質(zhì)和導(dǎo)電介質(zhì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，是一類(lèi)兼具良好的可加工性、較高柔韌性和優(yōu)異電化學(xué)性能的新型復(fù)合水凝膠，是未來(lái)柔性電子器件的理想材料。水凝膠的電性能可通過(guò)電導(dǎo)率以及應(yīng)變響應(yīng)特性進(jìn)行表征。電導(dǎo)率測(cè)試常用上文所述的四探針?lè)ㄟM(jìn)行測(cè)試，優(yōu)勢(shì)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。應(yīng)變響應(yīng)特性測(cè)試采用普賽斯S或P系列源表以及拉伸測(cè)試機(jī)臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于離子型導(dǎo)電水凝膠，直流模式下，導(dǎo)電離子會(huì)在水凝膠與電極界面處聚集，引起信號(hào)突變及基線漂移等問(wèn)題。普賽斯P系列脈沖源表可提供最窄200μs脈沖測(cè)試電壓或電流，消除因直流電場(chǎng)引起的離子聚集的影響。

圖：導(dǎo)電水凝膠應(yīng)變性能測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

03、場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器電性能表征

場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器又稱(chēng)生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器(BioFET)，是基于MOSFET的結(jié)構(gòu)和原理，用生物參數(shù)離子敏感膜、電解質(zhì)溶液和參考電極代替 MOSFET 結(jié)構(gòu)中的金屬柵極而制成的傳感器，具有高靈敏度、響應(yīng)速度快、不受樣品污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢測(cè)、臨床診斷等領(lǐng)域。

對(duì)BioFET傳感器進(jìn)行測(cè)試，既能驗(yàn)證傳感器的性能，更是快速檢測(cè)被測(cè)物生物學(xué)參數(shù)的重要手段。BioFET傳感器可將生物學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換為可以直接測(cè)量的電信號(hào)（IV），因此I-V測(cè)試是表征BioFET傳感器性能的重要手段。I-V測(cè)試包括轉(zhuǎn)移特性測(cè)試（Ids-Vgs），輸出特性測(cè)試（Ids-Vds）以及漏源電流隨時(shí)間變化的Id-t測(cè)試。

推薦使用普賽斯SPA6100半導(dǎo)體參數(shù)分析儀來(lái)進(jìn)行BioFET傳感器I-V測(cè)試，SPA6100基于模塊化的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以幫助用戶根據(jù)測(cè)試需要，靈活選配測(cè)量單元進(jìn)行升級(jí)。產(chǎn)品支持最高1200V電壓、100A大電流、1pA小電流分辨率的測(cè)量，同時(shí)檢測(cè)10kHz至1MHz范圍內(nèi)的多頻AC電容測(cè)量。

圖：場(chǎng)效應(yīng)晶體管生物傳感器測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

圖：SPA6100半導(dǎo)體參數(shù)分析儀

結(jié)語(yǔ)

作為新興產(chǎn)業(yè)，柔性電子涉及新材料、新工藝及新設(shè)備等多個(gè)板塊。普賽斯立足于解決行業(yè)痛點(diǎn)，協(xié)同合作商共同打造全方位的柔性電子動(dòng)靜態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，并與多所高校密切合作，加速推動(dòng)研究成果產(chǎn)業(yè)化。