數字源表IV掃描測試納米材料電性能

        與傳統的材料相比，納米材料具有原子級厚度、表面平整無(wú)懸空鍵、載流子遷移率好等優(yōu)點(diǎn)，其導電性能很大程度依賴(lài)于材料本身的帶隙、摻雜濃度和載流子遷移率。同樣的摻雜濃度下，遷移率越大，電阻率越小，導電率就越高。在納米材料/器件電學(xué)性能的表征和分析中，通常采用霍爾效應及電阻率測試法。

        當電流垂直于外磁場(chǎng)通過(guò)納米材料時(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)生附加電場(chǎng)，從而在半導體兩端產(chǎn)生電勢差，這一現象稱(chēng)為霍爾效應�；魻栃�應測試常用的測試方法是范德堡法，并在測試時(shí)外加磁場(chǎng)。

霍爾測試系統架構.png

        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 )ㄅc范德堡法。

        對于規則圓形的材料樣品，電阻率測試比較方便的方法是四探針?lè )�，四探針�(lè )▋?yōu)勢在于分離電流和電壓電極，消除布線(xiàn)及探針接觸電阻的阻抗影響。范德堡法為更通用的四探針測量技術(shù)，對樣品形狀沒(méi)有要求，且不需要測量樣品所有尺寸。

        此外，由于納米材料具有獨特的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，在制備過(guò)程中納米粒子的大小、形狀和結構很難控制，且納米材料的性質(zhì)受表面效應、尺寸效應和缺陷效應等因素的影響，使其制備和性質(zhì)研究面臨巨大挑戰。

Science Technology

        原位表征技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了科研人員對納米材料的認識，使得納米材料的性能研究實(shí)現飛躍性突破。其中原位透射電子顯微分析法(TEM)是實(shí)時(shí)監控與記錄位于電鏡內的試樣對不同外界激勵信號的動(dòng)態(tài)響應的一種手段，有助于加速納米材料的開(kāi)發(fā)和應用。

        高溫原位表征系統基于高精度數字源表，控制MEMS芯片在原位樣品臺內對樣品構建精細熱場(chǎng)自動(dòng)調控及反饋測量系統，并結合透射電子顯微鏡（TEM）研究材料在不同熱場(chǎng)條件下發(fā)生結構相變、形貌變化、物性變化以及電性變化等關(guān)鍵信息，是納米材料結構表征科學(xué)最新穎、最有發(fā)展空間的表征技術(shù)之一。

原位TEM電性能表征.png

圖：原位TEM電性能表征

注：圖片來(lái)源于“Phase and polarization modulation in two-dimensional In2Se3 via in situ transmission electron microscopy”

        目前，納米材料的應用主要集中在電子信息、生物材料、能源等領(lǐng)域，其中在新型電子器件的設計和制造上取得很大突破，如納米晶體管、納米傳感器、納米光電子器件等。通過(guò)在納米尺度上控制和操縱電子器件和材料的性質(zhì)，使得器件具有更小的尺寸、更低的功耗以及更快的響應速度，未來(lái)在電子信息及其他科技領(lǐng)域上將會(huì )衍生更大的價(jià)值。因此，針對納米材料的不同應用，采用有效的技術(shù)方法和手段對納米材料/器件的性能進(jìn)行深入研究至關(guān)重要。

納米電極材料應用及測試表征

碳納米管具有優(yōu)異的機械性能和電化學(xué)性能，一直在各領(lǐng)域備受關(guān)注。在鋰電池的應用中，碳納米管作為電極時(shí)，其獨特的網(wǎng)絡(luò )結構不僅能夠有效地連接更多的活性物質(zhì)，出色的電導率也可以大幅降低阻抗。電導率及循環(huán)伏安法是表征電極材料電性能的重要手段，循環(huán)伏安法測試過(guò)程中，使用較多的是三電極系統和兩電極體系。

圖：循環(huán)伏安法測試系統架構

圖：循環(huán)伏安法測試曲線(xiàn)

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種使用氫氣和氧氣作為燃料的電池，通過(guò)化學(xué)反應生成水，并產(chǎn)生電能。雙極板（Bipolar plate，以下簡(jiǎn)稱(chēng)BP）是燃料電池的一種核心零部件，主要作用為支撐MEA，提供氫氣、氧氣和冷卻液流體通道并分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量，常見(jiàn)的材料有石墨、復合材料和金屬。作為核心部件，體電阻率測試是雙極板材料性能的重要表征技術(shù)之一。

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圖：體電阻率測試系統架構

壓敏電阻又稱(chēng)變阻器、變阻體或突波吸收器，其電阻會(huì )隨外部電壓而改變，因此它的電流-電壓特性曲線(xiàn)具有顯著(zhù)的非線(xiàn)性：

- 在閾值電壓以下，壓敏電阻的阻值很高，相當于開(kāi)路；

- 超過(guò)閾值電壓后，壓敏電阻的阻值大大降低，吸收瞬間的能量。

壓敏電阻的電學(xué)特性主要包括壓敏電壓、漏電流、封裝耐壓、響應度等方面。由于器件本身耐壓高，測試需要高壓，同時(shí)需要nA級小電流測量能力，推薦使用普賽斯P系列脈沖源表或E系列高電壓源測單元，P系列脈沖源表具備300V高壓，小電流低至1pA；E系列高壓源測單元最大電壓高達3500V、最小電流低至1nA。

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圖：P系列高精度臺式脈沖源表

圖：E系列高電壓源測單元

納米發(fā)電材料應用及測試表征

納米發(fā)電機是基于規則的氧化納米線(xiàn)，在納米范圍內將機械能、熱能等轉化為電能，是世界上最小的發(fā)電機。目前主要包括：摩擦納米發(fā)電機、壓電納米發(fā)電機、熱釋電納米發(fā)電機、靜電納米發(fā)電機以及溫差發(fā)電機等。

由于納米發(fā)電自身的技術(shù)原因，在測試時(shí)具有電流信號微弱（低至μA甚至nA級）；內阻大，開(kāi)路電壓很難測準；信號變化快，難以捕獲電壓或電流峰值等特點(diǎn)。推薦使用普賽斯S系列直流源表、P系列脈沖源表或CS系列插卡式多通道源表，搭配上位機軟件，可實(shí)現納米發(fā)電材料輸出電壓以及輸出電流隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)：V-t、I-t等，適用于摩擦發(fā)電、水伏發(fā)電、溫差發(fā)電等納米發(fā)電研究領(lǐng)域。

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圖：納米水伏發(fā)電測試系統架構

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圖：納米溫差發(fā)電測試系統架構

有機場(chǎng)效應晶體管應用及測試表征

有機場(chǎng)效應晶體管（OFET）是一種利用有機半導體組成的場(chǎng)效應晶體管。一般由柵極、絕緣層、有機有源層、源/漏電極構成。主要性能指標有遷移率、開(kāi)關(guān)電流比、閾值電壓三個(gè)參數，通常用輸出特性曲線(xiàn)和轉移特性曲線(xiàn)來(lái)表征。推薦使用普賽斯SPA6100半導體參數分析儀來(lái)進(jìn)行I-V測試以及C-V測試，可以用來(lái)獲取器件的輸出轉移特性、柵極漏電流、漏源擊穿電壓等參數；C-V測試可以確定二氧化硅層厚度dox、襯底摻雜濃度N以及固定電荷面密度Qfc等參數。

圖：SPA6100半導體參數分析儀

圖：原位TEM電性能表征

注：圖片來(lái)源于“Phase and polarization modulation in two-dimensional In2Se3 via in situ transmission electron microscopy”