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【当代材料电学测试】系列之一: 纳米测试(下)

发布时间:2021-08-03 发布时间:
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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。Wvbednc

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。Wvbednc

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:Wvbednc

  • 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

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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。Wvbednc

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。Wvbednc

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)

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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:

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  • 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

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高性能测试方案2:

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  • 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。Wvbednc

纳米发电面临的测试挑战

  1. 发电机产生的电流小  
  2. 发电机的内阻大,开路电压测不准
  3. 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:Wvbednc

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