【当代材料电学测试】系列之一：纳米测试（下）

2021-03-05 10:04:07 泰克科技

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前言：材料性质的研究是当代材料科学的重要一环，所谓材料的性质是指对材料功能特性和效用的定量度量和描述，即材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。源表SMU 在当代材料科学研究中，起到举足轻重的作用，选择适合某类材料电性能测试的SMU，如何降低测试误差，测试中应当注意什么，这些问题都需要重点关注。泰克吉时利的品牌在全球许多学科工程师和科学家中享有盛誉，其高精度源表（SMU）、万用表、精密电源、微小信号测试以及数据采集产品，同泰克公司原有的产品线一同为当代材料科学研究提供多种测试方案。

【当代材料电学测试课堂】系列涉及当代材料科学尖端的电运输及量子材料/超导材料测试、一维/碳纳米管材料测试、二维材料及石墨烯测试及纳米材料的应用测试。今天跟您分享第一篇，【当代材料电学测试课堂】系列之一：纳米测试（下）。

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纳米材料电学测试方案将在本文中阐述，包括《纳米线/碳纳米管测试方案》、《二维/石墨烯材料测试方案》。纳米材料电学测试SMU 应用场景、测试特点及选型原则的示意图，结合被测纳米材料或纳米电子器件的类型及测试要点，选择最适合的SMU。4200 – SCS 几乎适用于全部种类的纳米材料的测试，当然，某些特殊的源表更适合一些特殊的应用

纳米线/碳纳米管及电子器件测试

纳米线（Nano Wire）为一种横向上被限制在100纳米以下（纵向没有限制）的一维材料。根据组成材料的不同，纳米线可分金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。作为纳米材料的一种，纳米线具备上文概述的纳米材料全部特性，在电子，光电子和纳电子机械器械中，纳米线起到很重要的作用。它同时还可以作为合成物中的添加物、量子器械中的连线、场发射器和生物分子纳米感应器等。

I-V 测试是纳米线/碳纳米管最基本的电性能测试，SMU 是基本测试仪器，不同种类的碳纳米管需不同的 SMU 进行测试，SMU选择依据为：

被测样品所需 SMU 通道数
被测样品是否有脉冲测试需求
被测样品是否有电容测试需求
被测样品电阻范围，施加或测试的电流范围以及施加或测试的电压范围

纳米线/碳纳米管及其电子器件综合测试方案

4200A-SCS 主机
4200 SMU 模块，模块数量由通道数决定
4200 PA，选件，依据最小测试电流定，数量与SMU模块匹配
4225 PMU，选件，依据脉冲需求定，模块数由通道数定，是否加放大器由最小测试电流定
4210 CVU，选件，有电容特性测试需求时配置
纳米探针台（第三方）
软件：Clarius

方案优势：

测试范围宽，满足全部种类纳米线/碳纳米管及其电子器件测试需求
多种配置满足不同的应用需求
内置多种纳米线/碳纳米管器件库，调用后自动生成相应器件的测试流程

二维/石墨烯材料及电子器件测试
所谓二维材料（Two dimensional material ），指的是电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，属于纳米材料的范畴，包含具有超导、金属性、半金属、拓扑绝缘体、半导体、绝缘体的材料。二维材料最为典型的代表是石墨烯，石墨烯是由碳原子组成的二维结构，由于在电学/热学/光学等方面的优良特性，被广泛研究并使用在这个领域。在半导体特性上，石墨烯具有优良的导电特性及易掺杂改性的特性，因此被用来制作为各种半导体器件，如零带隙、顶栅石墨烯场效应管，双层石墨烯晶体管，双极超导石墨烯晶体管，石墨烯纳米带场效应管等。在应用上可作为穿戴设备，传感器，充电设备等。
对二维/石墨烯材料，通常使用四探针法或范德堡法测试电阻率，用霍尔效应测测试载流子迁移率及载流子浓度。
二维/石墨烯材料及电子器件电性能测试挑战

二维/石墨烯材料属于纳米材料范畴，上文中讨论的测试挑战对二维/石墨烯材料都适用。
电阻率及霍尔效应测试均是加流测压的过程，需要设备能输出电流并且测试电压，这意味着同时需要电流源和电压表，并且电流源和电压表精度要高，保证测试的准确性。
电阻率及电子迁移率通常范围较大，需要电流电压范围都很大的设备。
需与探针台配合，测试设备需方便连接，需易用的软件
霍尔效应测试时，通常要准备霍尔条（Hall Bar）

高性价比测试方案1：

6221高精度脉冲电流源
2182 纳伏表
7168 开关卡
探针台（第三方）
软件：自行开发

方案优势

性价比高
具有脉冲电流
Delta 模式
被测样品电阻适用范围广（uΩ ~ TΩ）
纳伏开关卡不影响测试精度

高性能测试方案2：

4200A-SCS + 4200 SMU X 3 或 4
4200 PA X 3 或 4
测试台 (第三方)
软件：Clarius

方案优势：

SMU模块集电压源/电压表/电流源/电流表于一体，集成度高，方便使用
SMU均配有开尔文接口，在测试小电阻时可有效消除线缆电阻的影响
电流输出精度40fA；电流测试精度10fA；电压测试精度80µV；
带有pulse工作模式，使用pulse测试可以消除自加热效应（需增加 4225 PMU 硬件）
Clarius 软件可调用内置Project，不仅适用于针对二维/石墨烯材料的四探针，范德堡，霍尔效应测试，也适用于二维/石墨烯电子器件 I-V C-V 特性测试（C-V 特性测试时需添加 4210 CVU 硬件）
开放设备底层指令，附带编译软件，支持自编程

纳米发电测试方案
纳米发电机是基于规则的氧化锌纳米线，在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。目前纳米发电机可以分为三类：压电纳米发电机、摩擦纳米发电机、热释电纳米发电机。
纳米发电面临的测试挑战

发电机产生的电流小
发电机的内阻大，开路电压测不准
信号变化快，很难采集电压或者电流峰值

泰克纳米发电测试方案
采用高内阻的静电计6517+数据采集仪DMM6500+纳米发电采集软件来进行微小纳米发电电流数据采集。由于现在纳米发电机中有一部分已经转向实际应用研究，其中之一就有压力传感方向，而矩阵式压力传感器的测试是很多老师和同学比较头疼的一个问题，为了解决这类问题，根据要求搭建了一个测试方案如下：