納米材料與器件的電氣測(cè)量方法

低功率脈動(dòng)技術(shù)

對(duì)于納米級(jí)材料的測(cè)試來(lái)說(shuō)，選擇正確的測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)提高測(cè)量的速度和降低噪聲依然不夠。例如，某些CNT的開(kāi)關(guān)速度是傳統(tǒng)CMOS晶體管開(kāi)關(guān)速度的1000倍。這對(duì)于納安級(jí)的商用皮可安培計(jì)(picoammeter)來(lái)說(shuō)太快了。這類(lèi)器件的測(cè)量要求采用更高速的阻抗測(cè)量技術(shù)。

低功率脈動(dòng)方法(pulsing technique)可以部分地解決這個(gè)問(wèn)題，這種技術(shù)已經(jīng)可以用在一些SMU設(shè)計(jì)上。這種概念是采用很高的測(cè)驗(yàn)電流或測(cè)驗(yàn)電壓，在很短的周期中施加這種大激勵(lì)。較大的激勵(lì)可以降低源噪聲(通過(guò)提高信噪比)，并且可以改善電壓脈沖和電流脈沖信號(hào)的上升或穩(wěn)定時(shí)間。低噪聲的激勵(lì)源需要較少的濾波處理，并允許更短的源激勵(lì)周期時(shí)間(更窄的脈沖寬度)。較大的源激勵(lì)可以提高響應(yīng)電流或電壓，這樣可以有更寬的儀器選擇范圍，進(jìn)一步降低噪聲的影響。由于降低了噪聲，可以縮短測(cè)量的采集時(shí)間，從而提高測(cè)量速度。

避免自發(fā)熱問(wèn)題

一個(gè)可能的誤差源是過(guò)高的電流通過(guò)DUT時(shí)引起的自發(fā)熱，這樣的電流甚至可能引起采樣的嚴(yán)重故障，因此在器件測(cè)驗(yàn)過(guò)程中儀器必須能自動(dòng)限制電流源。可編程的電流和電壓驗(yàn)證電路是大多數(shù)帶有脈動(dòng)電流功能、基于SMU測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能，某些低阻結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)避免自發(fā)熱。

當(dāng)需要提高測(cè)試電流時(shí)，電流值必須保證不能引入過(guò)多的能量，避免將DUT加熱到失效溫度 (納米器件能承受的熱量很低，所以器件消耗的總能量必須保持在很低的水平)。另外，還必須非常小心測(cè)試電流值，使其保持足夠低以保證DUT的納米級(jí)通道不會(huì)飽和。例如，直徑為1.5nm的電流通道嚴(yán)格限制了單位時(shí)間內(nèi)可通過(guò)電子的數(shù)量。某些納米級(jí)別的器件在導(dǎo)電狀態(tài)只能承受幾百納安的電流。因此，即便在脈動(dòng)應(yīng)用中，器件的飽和電流已經(jīng)限制了可加載的最大測(cè)試電流。

下面的公式描述了脈動(dòng)模式下負(fù)載循環(huán)和測(cè)量時(shí)間如何影響DUT的功耗。為了計(jì)算脈動(dòng)模式下的功耗，要將視在功耗(V*I)與測(cè)試激勵(lì)的時(shí)間相乘再除以測(cè)試重復(fù)率：

采用低阻連接，例如通過(guò)納米操縱器(nanomanipulator)，脈動(dòng)模式還可用于狀態(tài)密度測(cè)量。脈動(dòng)模式還可以測(cè)量原來(lái)由于微粒的自發(fā)熱無(wú)法實(shí)現(xiàn)的I/V位置測(cè)量。

可選擇的其他測(cè)量?jī)x器

高級(jí)的AC+DC電流源帶有脈動(dòng)模式，如Keithley的Model 6221。該波形發(fā)生器允許用戶(hù)優(yōu)化脈沖電流值、脈沖間歇、脈沖寬度，并且可與納伏電壓計(jì)之類(lèi)的測(cè)量?jī)x器同步觸發(fā)。通過(guò)內(nèi)建的同步機(jī)制，納伏電壓計(jì)可以在施加脈沖之后數(shù)微秒內(nèi)開(kāi)始讀數(shù)。這一功能極大簡(jiǎn)化了微分電導(dǎo)測(cè)量，并且允許測(cè)量從10nΩ到100MΩ的電阻。這樣的儀器組合是AC電阻電橋和鎖相放大器測(cè)量的高性能替代選擇。

采用這些先進(jìn)的儀器測(cè)量微分電導(dǎo)，比過(guò)去的方法速度快10倍而且噪聲更低。這種測(cè)量在單次掃描中完成，而不是取多次掃描結(jié)果的平均值，平均值方法的測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)而且更容易產(chǎn)生誤差。此外，這些儀器還可以在增量模式(delta mode)下使用，可以進(jìn)一步提高精度?？傊c其他測(cè)試方法相比，這些技術(shù)可以將測(cè)量的精確度提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。

電阻抗譜

電阻抗譜同許多使用納米材料的器件都相關(guān)。一個(gè)例子是電化學(xué)電池，這種電池在膜電極組件(MEA)上采用納米級(jí)材料作為催化劑。電池復(fù)數(shù)阻抗的電抗分量提供了在電池陰極和陽(yáng)極處化學(xué)反應(yīng)速度的直接測(cè)量—這是催化作用的直接反映。在其他應(yīng)用中，電抗分量可以反映出材料介電電荷的分布以及外電場(chǎng)作用下材料介電性能重新取向的難易。

這種技術(shù)早已超越了直流電壓或電流下的簡(jiǎn)單阻抗測(cè)量。復(fù)數(shù)阻抗是一種交流(或脈動(dòng)直流)特性，可以用具有幅值和相位的矢量來(lái)表述。相位描述了電壓或電流激勵(lì)(零參考相位)與響應(yīng)電流或電壓在時(shí)間上的關(guān)系，以及結(jié)果的電流或電壓響應(yīng)。在任何頻率下，阻抗都可以采用幅值和相角來(lái)表述。復(fù)數(shù)阻抗必須在某特定的激勵(lì)頻率下計(jì)算，由于器件可以簡(jiǎn)化為一個(gè)電阻與電容或電感串聯(lián)或并聯(lián)的模型，其相角必然隨著頻率變化。

通過(guò)測(cè)量復(fù)數(shù)電壓和電流，可以用復(fù)數(shù)電壓除以復(fù)數(shù)電流計(jì)算得到矢量阻抗，這只需要在每次電壓和電流測(cè)量下記錄相對(duì)時(shí)間。通過(guò)計(jì)算復(fù)數(shù)傅立葉變換得到最終結(jié)果，該變換將時(shí)域數(shù)據(jù)擴(kuò)展到頻域。

由于復(fù)數(shù)阻抗相角表示激勵(lì)和得到的DUT響應(yīng)之間的時(shí)間差(提前或延后)，因?yàn)槿魏蜗嘟强梢杂孟旅娴年P(guān)系式轉(zhuǎn)換成時(shí)間。

這是在激勵(lì)和響應(yīng)之間的時(shí)間偏移，與是電壓還是電流激勵(lì)無(wú)關(guān)。因此，如果我們?cè)陔妷汉碗娏鳒y(cè)量時(shí)記錄時(shí)間，我們可以通過(guò)恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換計(jì)算出復(fù)數(shù)阻抗。

我們已經(jīng)討論了適當(dāng)測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇對(duì)降低噪聲和提高系統(tǒng)速度的重要性。另外，為了精確表征復(fù)數(shù)阻抗，儀器和測(cè)量方法還需要合適的采樣頻率。而且，為了計(jì)算阻抗，儀器需要有一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)基。要求的采樣頻率、采集時(shí)間和數(shù)學(xué)變換取決于精度和DUT復(fù)數(shù)阻抗的性質(zhì)。