【當(dāng)代材料電學(xué)測試】系列之一：納米測試（下）

【當(dāng)代材料電學(xué)測試】系列之一：納米測試（下）前言：材料性質(zhì)的研究是當(dāng)代材料科學(xué)的重要一環(huán)，所謂材料的性質(zhì)是指對材料功能特性和效用的定量度量和描述，即材料對電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)。源表SMU在當(dāng)代材料科學(xué)研究中，起到舉足輕重的作用，選擇適合某類材料電性能測試的SMU，如何降低測試誤差，測試中應(yīng)當(dāng)注意什么，這些問題都需要重點(diǎn)關(guān)注。泰克吉時利的品牌在全球許多學(xué)科工程師和科學(xué)家中享有盛譽(yù)，其高精度源表（SMU）、萬用表、精密電源、微小信號測試以及數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，同泰克公司原有的產(chǎn)品線一同為當(dāng)代材料科學(xué)研究提供多種測試方案?！井?dāng)代材料電學(xué)測試課堂】系列涉及當(dāng)代材料科學(xué)尖端的電運(yùn)輸及量子材料/超導(dǎo)材料測試、一維/碳納米管材料測試、二維材料及石墨烯測試及納米材料的應(yīng)用測試。今天跟您分享第一篇，【當(dāng)代材料電學(xué)測試課堂】系列之一：納米測試（下）。納米材料電學(xué)測試方案將在本文中闡述，包括《納米線/碳納米管測試方案》、《二維/石墨烯材料測試方案》。納米材料電學(xué)測試SMU應(yīng)用場景、測試特點(diǎn)及選型原則的示意圖，結(jié)合被測納米材料或納米電子器件的類型及測試要點(diǎn)，選擇最適合的SMU。4200–SCS幾乎適用于全部種類的納米材料的測試，當(dāng)然，某些特殊的源表更適合一些特殊的應(yīng)用。納米線/碳納米管及電子器件測試納米線（NanoWire）為一種橫向上被限制在100納米以下（縱向沒有限制）的一維材料。根據(jù)組成材料的不同，納米線可分金屬納米線，半導(dǎo)體納米線和絕緣體納米線。作為納米材料的一種，納米線具備上文概述的納米材料全部特性，在電子，光電子和納電子機(jī)械器械中，納米線起到很重要的作用。它同時還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發(fā)射器和生物分子納米感應(yīng)器等。I-V測試是納米線/碳納米管最基本的電性能測試，SMU是基本測試儀器，不同種類的碳納米管需不同的SMU進(jìn)行測試，SMU選擇依據(jù)為：?

被測樣品所需SMU通道數(shù)

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被測樣品是否有脈沖測試需求

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被測樣品是否有電容測試需求

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被測樣品電阻范圍，施加或測試的電流范圍以及施加或測試的電壓范圍納米線/碳納米管及其電子器件綜合測試方案?

4200A-SCS主機(jī)

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4200SMU模塊，模塊數(shù)量由通道數(shù)決定

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4200PA，選件，依據(jù)最小測試電流定，數(shù)量與SMU模塊匹配

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4225PMU，選件，依據(jù)脈沖需求定，模塊數(shù)由通道數(shù)定，是否加放大器由最小測試電流定

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4210CVU，選件，有電容特性測試需求時配置

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納米探針臺（第三方）

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軟件：Clarius方案優(yōu)勢：?

測試范圍寬，滿足全部種類納米線/碳納米管及其電子器件測試需求

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多種配置滿足不同的應(yīng)用需求

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內(nèi)置多種納米線/碳納米管器件庫，調(diào)用后自動生成相應(yīng)器件的測試流程二維/石墨烯材料及電子器件測試所謂二維材料（Twodimensionalmaterial），指的是電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動（平面運(yùn)動）的材料，屬于納米材料的范疇，包含具有超導(dǎo)、金屬性、半金屬、拓?fù)浣^緣體、半導(dǎo)體、絕緣體的材料。二維材料最為典型的代表是石墨烯，石墨烯是由碳原子組成的二維結(jié)構(gòu)，由于在電學(xué)/熱學(xué)/光學(xué)等方面的優(yōu)良特性，被廣泛研究并使用在這個領(lǐng)域。在半導(dǎo)體特性上，石墨烯具有優(yōu)良的導(dǎo)電特性及易摻雜改性的特性，因此被用來制作為各種半導(dǎo)體器件，如零帶隙、頂柵石墨烯場效應(yīng)管，雙層石墨烯晶體管，雙極超導(dǎo)石墨烯晶體管，石墨烯納米帶場效應(yīng)管等。在應(yīng)用上可作為穿戴設(shè)備，傳感器，充電設(shè)備等。對二維/石墨烯材料，通常使用四探針法或范德堡法測試電阻率，用霍爾效應(yīng)測測試載流子遷移率及載流子濃度。二維/石墨烯材料及電子器件電性能測試挑戰(zhàn)?

二維/石墨烯材料屬于納米材料范疇，上文中討論的測試挑戰(zhàn)對二維/石墨烯材料都適用。

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電阻率及霍爾效應(yīng)測試均是加流測壓的過程，需要設(shè)備能輸出電流并且測試電壓，這意味著同時需要電流源和電壓表，并且電流源和電壓表精度要高，保證測試的準(zhǔn)確性。

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電阻率及電子遷移率通常范圍較大，需要電流電壓范圍都很大的設(shè)備。

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需與探針臺配合，測試設(shè)備需方便連接，需易用的軟件

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霍爾效應(yīng)測試時，通常要準(zhǔn)備霍爾條（HallBar）高性價比測試方案1：?

6221高精度脈沖電流源

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2182納伏表

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7168開關(guān)卡

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探針臺（第三方）

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軟件：自行開發(fā)方案優(yōu)勢?

性價比高

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具有脈沖電流

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Delta模式

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被測樣品電阻適用范圍廣（uΩ~TΩ）

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納伏開關(guān)卡不影響測試精度高性能測試方案2：?

4200A-SCS+4200SMUX3或4

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4200PAX3或4

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測試臺(第三方)

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軟件：Clarius方案優(yōu)勢：?

SMU模塊集電壓源/電壓表/電流源/電流表于一體，集成度高，方便使用

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SMU均配有開爾文接口，在測試小電阻時可有效消除線纜電阻的影響

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電流輸出精度40fA；電流測試精度10fA；電壓測試精度80μV；

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帶有pulse工作模式，使用pulse測試可以消除自加熱效應(yīng)（需增加4225PMU硬件）

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Clarius軟件可調(diào)用內(nèi)置Project，不僅適用于針對二維/石墨烯材料的四探針，范德堡，霍爾效應(yīng)測試，也適用于二維/石墨烯電子器件I-VC-V特性測試（C-V特性測試時需添加4210CVU硬件）

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開放設(shè)備底層指令，附帶編譯軟件，支持自編程納米發(fā)電測試方案納米發(fā)電機(jī)是基于規(guī)則的氧化鋅納米線，在納米范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，是世界上最小的發(fā)電機(jī)。目前納米發(fā)電機(jī)可以分為三類：壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)、熱釋電納米發(fā)電機(jī)。納米發(fā)電面臨的測試挑戰(zhàn)1.

發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流小

2.

發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻大，開路電壓測不準(zhǔn)

3.

信號變化快，很難采集電壓或者電流峰值泰克納米發(fā)電測試方案采用高內(nèi)阻的靜電計(jì)6517+數(shù)據(jù)采集儀DMM6500+納米發(fā)電采集軟件來進(jìn)行微小納米發(fā)電電流數(shù)據(jù)采集。由于現(xiàn)在納米發(fā)電機(jī)中有一部分已經(jīng)轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用研究，其中之一就有壓力傳感方向，而矩陣式壓力傳感器的測試是很多老師和同學(xué)比較頭疼的一個問題，為了解決這類問題，根據(jù)要求搭建了一個測試方案如下：方案優(yōu)勢:?

納米發(fā)電研究領(lǐng)域推薦測試方案

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優(yōu)異的小心測試能力

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定制化軟件，更快，更簡單，更專業(yè)

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可升級，滿足研究將來的測試需求了解當(dāng)代材料電學(xué)測