概述

        纳米材料,定义为粒径在1-100纳米之间的一类超细材料,具有表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊物理化学性能。由于结构比表面积大，粒径小,表面原子比例高等特点,使得纳米材料在电学、热力学以及催化等多个方面具有独特的性能。按纳米的尺度在空间的表达特征,可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料(如纳米线、棒、丝、管和纤维等)、二维纳米材料(如纳米膜、纳米盘、超晶格等)、纳米结构材料即纳米空间材料(如介孔材料等)。按纳米材料的不同功能以及应用,可分为纳米发电材料、纳米磁性材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料等。

图1:纳米材料结构示意图

图2:纳米材料分类

        在纳米材料的研发中,对材料从不同维度进行表征尤为重要,是评估材料性能、研发工艺等的关键环节。常见的纳米材料表征包括结构表征、成分分析、形貌表征、以及性能表征-光、电、磁、热、力等。纳米材料的电特性表征,即对制成的纳米材料或者器件,施加压力、温度、电压或者电流等激励源,测试样品在不同种类以及不同强度的激励下,其相关电性能参数,如电流(I)、电压(V)或者电阻(Ω)的变化情况,从而用于进一步分析纳米材料。

纳米材料/纳米电子器件电学测试面临的挑战

        随着纳米材料在不同领域的广泛应用,新型纳米材料的研发具备了与以往不同的特1, 如的术料L飞种料、纳米温差材料、纳米传感器等。由于纳米材料的种类以及功能众多,因此,纳米材料的测试面临如下测试挑战:

        测试信号微弱。纳米材料测试多为样品研发试验阶段,需要测试样品在单位面积产生的电压曳电流似弱信号。尤其是电流信号,可低至nA,甚至pA级。因此,这就要求测试仪表,具有准确的微弱信号检测能力。

        外部噪声干扰。由于纳米材料测试信号弱,且部分材料特性易受外部环境变化干扰,这就需要在测试中对与测试无关的外部环境噪声,进行有效屏蔽。比如采用四线制测试,降低线损压降;采用三同轴Guard方式降低线缆漏电流等方式。

        测试方式多样。多数纳米材料在光、热、湿度等外部环境的激励下,具有一定的响应特征。因此,在对纳米材料的研发中,常需要测试样品在不同外界激励源的响应输出能力。多样化的测试,使得测试仪表具备多种测试功能,如进行恒压测试、l-V扫描测试、V-t测试、脉冲测试、多通道测试等。

利用数字源表进行纳米材料电特性表征

        实施电性能参数表征分析的最佳工具之一是数字源表(SMU)。数字源表作为独立的电压源或电流源,可输出恒压、恒流、或者脉冲信号,还可以当作表,进行电压或者电流测量;支持Trig触发,可实现多台仪表联动工作;针对有机OFET类型的三端类型纳米器件以及多样品验证测试,可直接通过2台数字源表或者插卡式源表搭建完整的多通道I-V测试系统。

普赛斯数字源表(SMU)解决方案

        S系列源表是普赛斯历时多年打造的高精度、大动态范围、率先国产化的源表,集电压、电流的输入输出及测量等功能于一体。电压范围从300μV~300V,电流从100pA~1A,输出精度达到0.1%,最大功率为30W,同时支持Trig触发接口,可实现多台仪表同步触发测试。

图3∶S系列源表

        P系列台式脉冲源表,是武汉普赛斯仪表有限公司推出的高精度、宽测量范围、强输出能力源表。产品支持直流、脉冲两种工作模式,支持四象限工作,具有电压、电流输入输出及测量,负载测试等多种功能。最大输出电压达300V,最大脉冲测试电流达10A,最小电流分辨率为1pA,输出精度达到0.1%。

图4∶Р系列台式脉冲源表

        CS系列插卡式源表,是普赛斯历时多年打造的高精度、大动态、插卡式源表,汇集电压、电流输入输出及测量等多种功能,最大输出电压达300v,最大输出电流达1A,支持四象限工作。具有通道密度高、同步触发功能强、多设备组合效率高等特点。普赛斯研发了丰富的可供用户选配的子卡,方便用户根据功能性能需求灵活配置不同的子卡。因此,CS插卡式源表,能广泛的应用于纳米器件和材料电特性分析。

        目前已开发,CS100、CS200、CS300及CS400子卡,其中CS100、CS200、CS300为单卡单通道,CS400为单卡四通道,卡内4通道共地。使用10插卡主机时，用户可实现高达40通道的配置,用户针对实际情况可以选择不同的子卡实现最优性价比搭配。

S系列源表打造纳米材料温差器件测试方案

        该方案主要针对纳米材料温差器件,在不同温度激励下,测试其输出电压以及输出电流数据,在数字源表中获得开路电压或者输出电流数据。

图7:输出电流与输出电压测试曲线

S/CS系列源表打造纳米水伏发电材料测试方案

        该方案主要用于测试纳米水伏发电材料其输出电压以及输出电流随时间变化的曲线,以验证不同结构材料的发电性能,在数字源表中获得l-t或者V-t数据。

图8: V-t曲线与l-t曲线

S/CS系列源表打造纳米有机晶体管器件测试方案

        输出特性曲线测试

在施加不同的栅压(VGs)时,源漏电流lsb随着源漏电压Vos变化而变化得出的曲线,称之为输出特性曲线。

        转移特性曲线测试

在施加不同的源漏电压VDs下,源漏电流IDs随着栅压VGs的变化而变化得出的曲线,称之为转移特性曲线。

总结

        武汉普赛斯一直专注于纳米材料、传感器、半导体器件等电性能测试仪表开发,基于核心算法和系统集成等技术平台优势,率先自主研发了高精度数字源表、脉冲式源表、窄脉冲源表、集成插卡式源表等产品。产品具有测试精度高,微弱信号检测能力强的特点,可根据用户测试需求配置高效、高性价比的纳米材料测试方案,可广泛应用在纳米材料、传感器、半导体器件等产品的研发生产领域。

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