纳米材料与器件的电气测量方法

无源器件的电测量通常遵循以下简单流程：通过某种方式对样品进行激励，并测量其对激励的响应。这种方法也可用于测量具有无源和有源特性的器件。通过适当的方法，源-测量(source-measurement)算法可以用于表征能量源。燃料电池和电池的阻抗谱(impedance spectroscopy)就是这类测量的实例。

对纳米微粒(nanoscopic particle)来说，这种通用的源-测量测试方法可以定量测量阻抗、电导和电阻，这些测量值揭示材料的关键性能。即便材料最终并非应用于电路，这种测量方法仍然适用。

需要注意的问题

测量纳米微粒需要重点注意以下情况：

1. 纳米微粒无法承受宏观器件负载的电流值(除非是超导材料)。这意味着测试时，必须小心控制电流激励的大小。

2. 纳米微粒无法承受传统电子器件或材料(例如晶体管)与周围器件之间那么高的电压。其原因是器件的尺寸较小，彼此的距离更近，质量也更小，周围强电场产生的力会影响器件。此外，同纳米微粒相关的内部电场强度也很高，因此施加电压时要非常小心。

3. 由于纳米器件很小，产生的寄生电感和电容也较低，这一特点在电路应用中尤为突出。与类似的宏观器件相比，其开关速度更快、功率损耗更低。然而，这也意味着测量此类器件I-V曲线的测试仪器在跟踪较短反应时间的同时必须对小电流进行测量。

因为纳米级测试应用中激励和测量的电流值一般都很低，需要恰当地选择和使用仪器来完成精确的电气特性测试。除了灵敏度高之外，测量仪器的响应时间也要短(有时也称为高频宽)，这些要求与DUT的低电容值以及低电流时迅速的状态转换有关。

测量拓扑结构的选择

需要指出的是，源-测量测试的电路开关速度受到使用的仪器跟随器件状态的速度限制。如果测试的拓扑结构没有经过优化，这一点尤为突出。现有的测量拓扑结构是电流源/测量电压或电压源/测量电流两种。

在测量低阻抗器件(低于1000Ω)时，电流源/测量电压的方法通常会获得最好的结果。稳定的电流源加载到低阻抗器件时，较容易得到好的信噪比，这样可以实现精确的低电压响应测量。

另一种选择是电压源/测试电流，但这种方法并不适合低阻抗测量。为了保持器件的低电流以及避免毁坏性发热，要求施加的电压极低。低电压情况下，电压源会将额外的噪声引入到测量电流(响应)中。换言之，在加载的总电压中很大一部分是电压源的噪声电压。另外，低阻抗负载情况下电压源稳定性也差一些。有些电流测量问题与仪器的电压负担(安培计输入端产生的电压)有关，这也会引入额外的误差。

测量高阻抗器件(阻抗值大于10,000Ω)时，电压源/测量电流的方法是最好的选择。很容易实现驱动高阻抗的稳定电压源。当将一个设计良好的电压源加载到高阻抗器件时，将对DUT和测试电缆的杂散电容快速充电，并迅速达到最终的输出值。采用适当的安培计可以精确地测量DUT的低电流响应。

另一种方法是电流源/测量电压，这种方法在高阻抗测量中将会出现问题。为了在实际测量中保持电压响应足够低，必须采用低电流值，这意味着电路要用很长时间对器件和测试电缆的杂散电容充电。此外，高电压测量电路也会从DUT中分流一部分源电流。由于这部分电流没有被测量，因而这部分电流会造成测量误差。

电噪声

测量的拓扑结构也会影响电噪声，并最终限制测量的灵敏度和精度。对于采用电流源激励的低阻抗电压测量来说，测量电路对DUT的电压噪声和阻抗较为灵敏。

对宏观器件来说，例如一个电阻，室温下(270oK)的Johnson噪声电压可以表示为：

该公式显示，随着DUT电阻R的降低，DUT产生的Johnson电压噪声也随之降低。与此相反，由电压源激励的高阻抗器件则受到电流测量噪声的限制。在270oK时电阻的Johnson电流噪声为：

这个公式表明随着DUT电阻值的提高噪声值会降低。

对于所有尺寸的微粒来讲，除Johnson噪声之外，还可能存在与选择的测量拓扑结构有关的噪声增益。噪声增益指的是测量系统中噪声的寄生放大，如果选择正确的测量拓扑结构，这种噪声增益将不存在。例如，在一个电压源/测量电流的拓扑结构中，在很多电流测量电路(安培计)中都采用运算放大器，如图1所示。为了减小噪声增益，对于非反向输入端子，安培计电路必须在低增益条件下工作。

图1: (a)电压源/测量电流方法的电路模型。(b)在DUT阻抗值低于测量阻抗时，用改进的模型描述噪声增益。

源-测量仪器

商用的直流源-测量单元(SMU)是一种可用于纳米材料和器件测试的便利工具。SMU可以自动改变测量拓扑结构，例如可以在电压源/测量电流和电流源/测量电压之间迅速转换。这样可以在最大化测量速度和精度的同时很容易地降低测量噪声。

像前面提到的碳纳米管(CNT)那样，一些纳米微粒应用于不同外场时会改变状态。当进行此类材料的研究时，可以对SMU进行配置来提供电压源，并对处于高阻态的纳米粒子测量电流。如果材料处于低阻态，则转换到电流源/电压测量来获得更高的精度。此外，SMU还带有电流验证功能(compliance function)，可以自动限制DC电流，防止电流过大损坏待测器件或材料。类似地，当采用电流源时也有电压验证功能。

使用验证功能时，SMU可以输出满足要求的电流/电压源值，除非超过了用户的验证值。例如，当SMU设定在电压源状态，并预设了验证电流值，如果超过了这个验证值，SMU立即自动转换为恒流源，其输出值将稳定在验证电流值。类似地，如果SMU设定在电流源状态，并设定了一个验证电压，当DUT的阻抗和电流源开始使电压高于验证值时，SMU将自动转换到电压源(验证电压)状态。

像CNT开关之类的纳米级器件可以快速改变状态，而仪器的状态转换则并不能在瞬间完成。对于不同的SMU模式，开关时间在100ns到100μs之间。尽管对于跟踪纳米微粒的状态转换来说，这样的开关速度还不够快，但这么短的时间已经足够在每个状态下完成精确测量，同时将DUT的功率损耗限制在可接受水平。