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作者：泰克科技 前言：材料性質(zhì)的研究是當代材料科學(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、機械載荷的反應。源表SMU 在當代材料科學(xué)研究中，起到舉足輕重的作用，選擇適合某類(lèi)材料電性能測試的SMU，如何降低測試誤差，測試中應當注意什么，這些問(wèn)題都需要重點(diǎn)關(guān)注。泰克吉時(shí)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(wàn)用表、精密電源、微小信號測試以及數據采集產(chǎn)品，同泰克公司原有的產(chǎn)品線(xiàn)一同為當代材料科學(xué)研究提供多種測試方案。 【當代材料電學(xué)測試課堂】系列涉及當代材料科學(xué)尖端的電運輸及量子材料/超導材料測試、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用測試。今天跟您分享第一篇，【當代材料電學(xué)測試課堂】系列之一： 納米測試（上）。 _____ 納米材料指的是三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1-100nm)的材料，是由尺寸介于原子、分子和宏觀(guān)體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。納米材料可以按照多種尺度進(jìn)行分類(lèi)，按結構可以分為：零維材料 – 量子點(diǎn)，納米粉末，納米顆粒；一維材料 – 納米線(xiàn)或碳納米管；二維材料 – 納米薄膜，石墨烯；三維測量 - 納米固體材料。按組成可以分為：金屬納米材料，半導體納米材料，有機高分子納米材料，復合納米材料。下圖是將納米材料按其物理性質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)并列出納米材料應用的示意圖，由此可見(jiàn)，納米材料已經(jīng)在多領(lǐng)域得到廣泛應用。 納米材料的特性與電子器件 由于納米材料的某一維或多維尺寸為納米量級，使得其具有許多異于宏尺寸材料的特性。納米材料的基本特性包括：表面與界面效應，如熔點(diǎn)降低比熱增大；小尺寸效應，如導體變得不能導電；絕緣體卻開(kāi)始導電以及超硬特性；量子尺寸效應和宏觀(guān)量子隧道效應。納米材料的理化性能為：高強度、高韌性；高比熱和熱膨脹系數；異常電導率和擴散率；高磁化率。 基于以上特性，納米材料被廣泛用于制作納米電子器件。納米電子器件指的是利用納米級加工和制備技術(shù)，設計制備而成的具有納米級尺度和特定功能的電子器件。納米電子器件包括納米CMOS 器件，如絕緣層上硅MOSFET、硅一鍺異質(zhì)MOSFET、低溫MOSFET、雙極MOSFE T、本征硅溝道隧道型MOSFET等；量子效應器件；量子干涉器件、量子點(diǎn)器件；諧振隧道器件如橫向諧振遂道器件、諧振隧道晶體管, 諧振隧道場(chǎng)效應晶體管( RTEET)、雙極量子諧振隧道晶體管、諧振隧道熱電子晶體管等；縱向諧振隧道器件如隧道勢壘調制晶體管等；單電子器件如單電子箱、電容禍合和電阻禍合單電子晶體管、單電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )晶體管、單電子結陣列、單電子泵浦、單電子陷阱和單電子旋轉門(mén)等；單原子器件和單分子器件如單電子開(kāi)關(guān)、單原子點(diǎn)接觸器件、單分子開(kāi)關(guān)、分子線(xiàn)、量子效應分子電子器件、電化學(xué)分子電子器件等。 納米材料電學(xué)性能測試 納米材料的表征包括成分分析，顆粒分析，結構分析，性能分析，分析方法以電鏡分析為主，特別是掃描隧道電鏡（SMT)，在導體和半導體納米材料分析上具有優(yōu)勢。 納米材料的電學(xué)性能測試是對其態(tài)密度（Density of State）進(jìn)行分析。所謂態(tài)密度指的是單位能量范圍內所允許的電子數，也就是說(shuō)電子在某一能量范圍的分布情況。態(tài)密度是微觀(guān)量，適合解釋納米粒子尺寸變化引起的特性。 
X 射線(xiàn)光譜 （X-Ray Spectroscopy）是進(jìn)行態(tài)密度測試的常規方法，但通過(guò)對納米材料電性能直接測試，也可以推到出態(tài)密度。用掃描隧道電鏡測試用微分電導（di/dv）隨電壓的曲線(xiàn)即可推到出態(tài)密度。這種方法利用低電平 AC 信號調制于靜態(tài)電流進(jìn)行測試，電鏡電極與被測樣品間為高阻接觸。 由于X 射線(xiàn)光譜和掃描隧道電鏡都是昂貴的設備，如果不是制備并表征納米材料，僅僅是對納米材料進(jìn)行應用性研究，源表（SMU） + 納米探針臺不失為一種高性?xún)r(jià)比的替代方案。與掃描隧道電鏡法不同，納米探針臺和被測樣品間為低阻接觸，這就要求SMU必須具備低電平測試能力，并根據被測樣品的阻抗改變SMU工作模式。這種方法主要測試被測樣品的電阻，電阻率及霍爾效應，更適合納米電子器件的測試。 二維納米材料電阻率測試 對二維納米材料（如石墨烯），電阻率測試是重要的測試項目，測試方法主要為四探針?lè )ǎ═he Four-Point Collinear Probe Method）與范德堡法（The van der Pauw method）。
二維納米材料霍爾效應測試 當電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)半導體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì )產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導體的兩端產(chǎn)生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個(gè)電勢差也被稱(chēng)為霍爾電勢差。通過(guò)對電勢差測試，可以得到被測材料的載流子濃度與載流子遷移率等參數。二維納米材料霍爾效應測試，依然用范德堡法，但電極接線(xiàn)與范德堡法測試電阻率有所不同，并且在測試霍效應時(shí)，通常要加磁場(chǎng)。
納米材料及電子器件電學(xué)測試面臨的挑戰 • 納米級尺寸，性能異于宏尺寸材料與器件 • 狀態(tài)變化快，對測試儀器響應速度有要求 • 需配合納米探針臺 • 必須防自熱,否則極易燒毀被測樣品，需選擇帶有脈沖模式的 SMU • 納米材料承受及測試電流超�。ㄟ_ fA 級），承受及測試電壓超低（達 nV 級），不同種類(lèi)的材料，電阻范圍超寬，從uΩ~TΩ,需選擇與被測納米材料和器件電性能相適應的 SMU，需多種降低誤差與噪聲的手段，如加流測壓或加壓測流，四線(xiàn)法連接，屏蔽與濾波，降低熱噪聲等。
有關(guān)納米材料電學(xué)測試方案將分別在《納米線(xiàn)/碳納米管測試方案》及《二維/石墨烯材料測試方案》中詳述。納米材料電學(xué)測試SMU 應用場(chǎng)景、測試特點(diǎn)及選型原則的示意圖，結合被測納米材料或納米電子器件的類(lèi)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(lèi)的納米材料的測試，當然，某些特殊的源表更適合一些特殊的應用。了解當代材料電學(xué)測試更多詳細內容，https://www.tek.com.cn/application/material-science。 |
