【測(cè)試案例分享】 Keithley電化學(xué)測(cè)試方法與應(yīng)用

Keithley 是先進(jìn)電子測(cè)試儀器的全球領(lǐng)導(dǎo)者，擁有 60 多年的測(cè)量專業(yè)知識(shí)。我們的客戶是廣大研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師，這些領(lǐng)域中包括了許多電化學(xué)測(cè)試。Keithley 的產(chǎn)品可以準(zhǔn)確地進(jìn)行電流和電壓的測(cè)量。Keithley 測(cè)試設(shè)備支持的電化學(xué)學(xué)科測(cè)試包括電池和儲(chǔ)能、腐蝕科學(xué)、電化學(xué)沉積、有機(jī)電子學(xué)、光電化學(xué)、材料研究、傳感器以及半導(dǎo)體材料和器件。表 1 列出了一些采用 Keithley 產(chǎn)品的測(cè)試方法和應(yīng)用。

表 1 - 電化學(xué)測(cè)試方法及應(yīng)用

循環(huán)伏安法

循環(huán)伏安法 ( 簡(jiǎn)稱 CV) 是一種電位掃描法，是最常用的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，通常使用 3 電極的蓄電池。 圖 1展示了一個(gè)典型的電化學(xué)測(cè)量電路， 它由蓄電池、可調(diào)電壓源 (VS)、電流表 (AM) 和電壓表 (VM) 組成。蓄電池的三個(gè)電極分別是工作電極 (WE)、參比電極 (RE)  和對(duì)電極 (CE)。用于電位掃描的電壓源 (VS) 在 WE 和  CE 之間施加。用電壓表測(cè)量RE 和WE 之間的電位 (E)， 并調(diào)整總電壓 (VS) 以保持WE相對(duì)于RE的所需電位。  用電流表 (AM) 測(cè)量流入或流出 WE 的所得電流 (i)。

圖 1 -  循環(huán)伏安法測(cè)試的簡(jiǎn)化電路

Keithley SMU源表可以輸出電壓和測(cè)量電流，這使得它們非常適合循環(huán)伏安法應(yīng)用。圖2說明了儀器的四個(gè)端子如何連接到3電極電化學(xué)電池。

圖 2 - 源表連接蓄電池進(jìn)行循環(huán)伏安法測(cè)試

當(dāng)編程控制 SMU 在源電壓使用感測(cè) (4 線 ) 配置時(shí)， 內(nèi)部傳感提供電壓測(cè)試的反饋值并與編程設(shè)置的電壓大小進(jìn)行比較。SMU 調(diào)整電壓源，直到反饋電壓等于編程電壓。遙感補(bǔ)償了測(cè)試引線和分析物電路中的壓降，確保將設(shè)置電壓加載到工作電極上。

2450-EC, 2460-EC 和 2461-EC 電化學(xué)源表具有內(nèi)置顯示屏，可以使用其循環(huán)伏安法測(cè)試腳本自動(dòng)繪制伏安圖。 圖3顯示了該儀器生成的伏安圖形。2450、2460和2461儀器包括一個(gè)測(cè)試腳本，可以在沒有計(jì)算機(jī)的情況下執(zhí)行循環(huán)伏安法。

圖 3 - 在 2450 上生成的伏安圖形

2450-EC, 2460-EC 和 2461-EC 電化學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中還 包含其他電化學(xué)測(cè)試腳本：開路電壓，加載電壓脈沖或方波與電流測(cè)量，電流脈沖或方波與電壓測(cè)量，電流隨時(shí)間變化和電壓隨時(shí)間變化。這些設(shè)備還包括一個(gè)帶鱷魚夾的測(cè)試電纜，使用戶能夠輕松連接儀器和被測(cè)物。

開路電壓

電化學(xué)電池的開路電位 (OCP) 是在參考電極和工作電極之間進(jìn)行的電壓測(cè)量。測(cè)量開路電位需要一個(gè)高阻抗的電壓表來測(cè)量沒有電流或電壓施加到電池上的電壓。由于其高輸入阻抗，SourceMeter SMU 儀器在配 置為 4 線制配置時(shí)非常適合 OCP 測(cè)量，如圖 4 所示。 在此設(shè)置中，該儀器配置為測(cè)量電壓和源0A。如果在進(jìn)行循環(huán)伏安法之前測(cè)量 OCP，則不需要在測(cè)量之間手動(dòng)重新排列任何測(cè)試引線，因?yàn)閮x器可以在內(nèi)部自動(dòng)改變功能。2450-EC, 2460-EC 和 2461-EC 帶有執(zhí)行開路電位測(cè)量的測(cè)試腳本。

圖 4 - 使用電化學(xué)系統(tǒng)測(cè)量蓄電池的開路電壓

電阻率

電阻率是材料的一種基本特性，它量化了材料與電流的對(duì)抗。確定材料電阻率的最佳技術(shù)取決于所涉及材料的類型、電阻的大小和樣品的幾何形狀。

導(dǎo)體 / 半導(dǎo)體 — 加電流測(cè)電壓

導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率通常是 4 線配置，輸入電流和 測(cè)量樣品的電壓來確定的。4 線配置最大限度地減少 引線和接觸電阻，以減少它們對(duì)測(cè)量精度的影響。在這種配置中 ( 圖 5)，兩根引線用于產(chǎn)生電流，另一組引線用于測(cè)量導(dǎo)電樣品上的壓降。樣品上的壓降會(huì)非常小，因此使用 Keithley 2182A 納伏表進(jìn)行測(cè)量。

圖 5 - 使用電流源和納伏表測(cè)量導(dǎo)電樣品

絕緣體 — 加電壓測(cè)電流

絕緣體的電阻率通常是通過對(duì)未知電阻施加電壓并測(cè)量產(chǎn)生的泄漏電流來測(cè)量的。這是一個(gè)雙端測(cè)試。體電阻率是直接測(cè)量通過材料的泄漏電流。表面電阻率被定義為絕緣體表面的電阻。圖6顯示了體積電阻率和表面電阻率的電路圖。

 圖 6 - 體電阻率和表面電阻率測(cè)量圖

這些高電阻測(cè)量需要一種可以測(cè)量到非常低電流并且可以施加電壓的儀器。6517B 和 6487 都能夠測(cè)量高 阻材料的電阻率。這些儀器可以測(cè)量低至數(shù)十或數(shù)百 fA 的電流，并具備內(nèi)置電壓源。需要注意的是在測(cè)量非常高的電阻時(shí)，必須正確屏蔽設(shè)備和測(cè)試電纜， 以避免靜電干擾的影響。

電壓測(cè)定

電壓 / 電位測(cè)定是測(cè)量兩個(gè)電極之間的電位，通常是工作電極和參比電極。電位差是用高阻抗電壓表或靜電計(jì)測(cè)量的，因此任何電流都可以忽略不計(jì) (i=0)。電位測(cè)定法用于諸如使用離子選擇電極進(jìn)行的 pH 測(cè)量 和電壓測(cè)量等應(yīng)用。這些電位測(cè)量通常使用兩個(gè)電極和一個(gè)高阻抗電壓表進(jìn)行，例如 6517B 或 6514 靜電計(jì) ( 圖 7)。

圖 7 - 靜電計(jì)測(cè)量兩個(gè)電極之間的電位差。

電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器用于不同行業(yè)的許多應(yīng)用，包括環(huán)境和氣體監(jiān)測(cè)，醫(yī)療應(yīng)用，如測(cè)定葡萄糖濃度，以及汽車和農(nóng)業(yè)行業(yè)。電化學(xué)傳感器有各種不同的設(shè)計(jì) ; 它們可能有兩個(gè)或三個(gè)電極，可以是電位計(jì)、安培計(jì)或伏安計(jì)。有些傳感器是基于有機(jī)電子器件或納米結(jié)構(gòu)的。

選擇最優(yōu)的測(cè)試設(shè)備對(duì)于電化學(xué)傳感器的研發(fā)至關(guān)重要。例如，測(cè)量電位傳感器的輸出可能需要非常高 阻抗的電壓表，例如具有高輸入阻抗 (>1014  歐姆 ) 的 Keithley 靜電計(jì)。測(cè)試安培式氣體傳感器可能需要使 用非常靈敏的安培計(jì)，如皮安計(jì)、靜電計(jì)或源表。

圖8顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的安培氣體傳感器。當(dāng)氣體與工 作電極 (WE) 接觸時(shí)，根據(jù)傳感器的不同，會(huì)發(fā)生氧化或還原的化學(xué)反應(yīng)。在安培傳感器中，電流在對(duì)電極 (CE) 和工作電極 (WE) 之間流動(dòng)。電流輸出與氣體濃度有關(guān)，由靈敏的安培計(jì)測(cè)量。如有必要，可在傳感器上加第三個(gè)電極，即參比電極，施加電勢(shì)。

圖 8 - SourceMeter SMU 儀器測(cè)量 2 電極安培氣體傳感器的電流輸出。

太陽能電池

為了滿足人們對(duì)清潔能源日益增長的需求，光伏研究人員正在努力提高電池效率，降低成本。新興技術(shù)包 括染料敏化/燃料感光、仿生、鈣鈦礦，甚至 3D 太陽能電池。太陽能電池的電學(xué)表征對(duì)于確定如何使電池，在盡可能小的損耗下盡可能提高效率至關(guān)重要。

 通常在太陽能電池上進(jìn)行的一些電學(xué)測(cè)試包括測(cè)量電 流和電容作為施加直流電壓的函數(shù)。電容測(cè)量是作為 頻率或交流電壓的函數(shù)進(jìn)行的。有些測(cè)試需要脈沖電 流 - 電壓測(cè)量。這些測(cè)量通常在不同的光強(qiáng)和溫度下 進(jìn)行。從這些測(cè)量中可以提取出重要的器件參數(shù)，包 括輸出電流、轉(zhuǎn)換效率、最大功率輸出、摻雜密度、電阻率等。 圖 9 顯示了從太陽能電池上典型的正向 偏置 I-V 曲線中可以提取的幾個(gè)參數(shù)，包括最大電流 (Imax)、短路電流 (Isc)、最大功率 (Pmax)、最大電壓 (Vmax) 和開路電壓 (Voc)。

圖 9 - 光伏電池典型的正向偏置 I-V 曲線。

像 4200A-SCS 參數(shù)分析儀這樣的儀器可以在進(jìn)行這 些關(guān)鍵的電氣測(cè)量時(shí)簡(jiǎn)化測(cè)試和分析。4200A-SCS 是 一個(gè)集成系統(tǒng)，包括用于進(jìn)行直流和超快速 I-V 和 C-V 測(cè)量的儀器，以及控制軟件，圖形和數(shù)學(xué)分析能力。  4200A-SCS 可以進(jìn)行廣泛的太陽能電池測(cè)量，包括直流和脈沖電流電壓、電容電壓、電容頻率、驅(qū)動(dòng)級(jí)電容分析 (DLCP) 和四探針電阻率。圖 10 顯示了 4200-SMU 連接太陽能電池進(jìn)行 I-V 測(cè)量。 四線制連接消除了測(cè)量電路的引線電阻。一旦電池連接到輸出端子，4200A-SCS 的軟件可以輕松設(shè)置電壓掃描，自動(dòng)生成 I-V 曲線，如圖 11 所示光伏電池的正  向偏置 I-V 曲線。

圖 10 - 4200-SMU 與光伏電池連接示意圖

圖 11 - 4200A-SCS 參數(shù)分析儀測(cè)量的太陽能電池正偏 I-V 特性

可充電電池充電 / 放電

Keithley 源表可以簡(jiǎn)化電池測(cè)試，因?yàn)樗鼈兡軌蛲瑫r(shí) 加載和測(cè)量電流電壓。源表可以靈活的設(shè)置輸出源和 吸收電流，以及測(cè)量相應(yīng)的電壓和電流，使其成為電池充放電循環(huán)測(cè)試的完美解決方案。對(duì)于此測(cè)試，源表通過 4 線連接連接到電池 ( 圖 12)， 以消除引線電阻的影響。

圖 12 - 源表 2460 測(cè)試電池充放電連接圖

對(duì)于充電和放電周期，該儀器配置為加載電壓和測(cè)量 電流。即使儀器配置為電壓源，它也將在恒流模式下 工作。圖13顯示了充電和放電循環(huán)的簡(jiǎn)化電路圖。

圖 13 - 充放電電路圖

電池通常是使用恒流充電，因此我們將源表配置為電 壓源設(shè)置為電池的額定電壓，并將源限制設(shè)置為所需 的充電電流。在測(cè)試開始時(shí)，電池電壓小于儀器的電 壓輸出設(shè)置。這個(gè)電壓差驅(qū)動(dòng)一個(gè)電流，該電流立即 被限制在用戶定義的電流限值內(nèi)。當(dāng)處于電流限制時(shí)，  儀器作為恒流源工作，直到達(dá)到我們?cè)O(shè)定的電壓水平。

當(dāng)電池放電時(shí)，源表將作為接收器來使用，因?yàn)樗?nbsp;  耗散功率而不是輸入功率。儀器電壓源設(shè)置為低于電   池電壓的電平，電流限制設(shè)置放電速率。當(dāng)使能輸出時(shí)， 來自電池的電流流入儀器的 Hi 端子。因此，電流讀數(shù)   將為負(fù)。圖 14 所示為測(cè)量 2500mAh 電池放電特性的  結(jié)果。

圖 14 - 使用源表測(cè)試 2500mAh D 芯電池放電特性

電氣器件特性

源表和 4200A-SCS 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀是電氣設(shè)備表  征的理想選擇，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生和測(cè)量電流和電壓。 4200A-SCS 除了包含多個(gè) SMU 外，還可以包括電容   電壓?jiǎn)卧?CVU 或脈沖測(cè)量單元 PMU。可以表征的組   件可以包括碳納米結(jié)構(gòu)和器件、傳感器、太陽能電池、 有機(jī)半導(dǎo)體器件和其他結(jié)構(gòu)。

特定應(yīng)用所需的源表數(shù)量取決于設(shè)備上的終端數(shù)量和 所需的測(cè)試應(yīng)用。在圖 15 所示的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管 (OFET) 示例中，需要兩臺(tái) SMU 儀器來表征器件。在這種情 況下， SMU1 連接到柵極終端， SMU2 連接到器件的 漏極終端。OFET 的 Source 端接到 common。OFET 的傳輸特性是通過使用 SMU1 步進(jìn)柵極電壓和使用 SMU2 掃過漏極電壓并測(cè)量漏極電流來確定的。

圖 15 - 使用 4200A-SCS 表征 OFET I-V 特性

4200A-SCS 參數(shù)分析儀測(cè)量并繪制的 OFET 傳輸特性如圖 16 所示。

圖 16 - 4200A-SCS 參數(shù)分析儀測(cè)量的 OFET 傳輸特性（注 : OFET 由肯特州立大學(xué)提供）

4200A-SCS 半導(dǎo)體參數(shù)分析儀為電氣表征器件提供了 許多優(yōu)點(diǎn)。這種可配置的測(cè)試系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化敏感的電氣測(cè)量， 因?yàn)樗鼘⒍鄠€(gè)儀器集成到一個(gè)系統(tǒng)中，包括交互式軟件，圖形和分析功能。

電鍍 / 電沉積

電鍍是將金屬薄膜涂在導(dǎo)電表面上的過程。該工藝有許多應(yīng)用，包括裝飾涂層、防腐，甚至納米線和納米結(jié)構(gòu)制造。傳統(tǒng)上，該工藝涉及連接兩個(gè)電極 ( 陽極和陰極 ) 之間的電流源。電流驅(qū)動(dòng)金屬離子從陽極流向陰極，如圖 17 所示。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中， 6220 電流源使陽極的 Ag+ 離子被吸引到陰極。

電沉積可能需要使用恒定的直流電流或電壓，或者可能需要脈沖或階梯信號(hào)去控制沉積時(shí)間。除了提供電流或電壓外，特定應(yīng)用可能還需要監(jiān)測(cè)電流或電壓。 2400 系列或 2600B系列源表可以自動(dòng)控制源的參數(shù)，以及監(jiān)控電路中產(chǎn)生的電流或電壓。四線制控制從儀器到電極的兩端可以用來消除引線電阻的影響。

圖 17 - 采用恒流源進(jìn)行電鍍的電路

小結(jié)

Keithley 生產(chǎn)適用于各種電化學(xué)應(yīng)用的靈敏設(shè)備，包括 I-V 特性測(cè)試，低電阻率和高電阻率測(cè)量、電池測(cè)試、電位測(cè)定法、電沉積、電氣器件特性以及其他涉及加載和測(cè)量電流和電壓以及高精度測(cè)量電容的測(cè)試。 Keithley 儀器可以通過遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，多臺(tái)同步和定時(shí)控制。了解Keithley 產(chǎn)品對(duì)電化學(xué)測(cè)試方法和應(yīng)用，