纳米材料与器件的电气测量方法

作者：时间：2012-04-18来源：网络收藏

低功率脉动技术

对于纳米级材料的测试来说，选择正确的测量拓扑结构来提高测量的速度和降低噪声依然不够。例如，某些CNT的开关速度是传统CMOS晶体管开关速度的1000倍。这对于纳安级的商用皮可安培计(picoammeter)来说太快了。这类器件的测量要求采用更高速的阻抗测量技术。

低功率脉动方法(pulsing technique)可以部分地解决这个问题，这种技术已经可以用在一些SMU设计上。这种概念是采用很高的测验电流或测验电压，在很短的周期中施加这种大激励。较大的激励可以降低源噪声(通过提高信噪比)，并且可以改善电压脉冲和电流脉冲信号的上升或稳定时间。低噪声的激励源需要较少的滤波处理，并允许更短的源激励周期时间(更窄的脉冲宽度)。较大的源激励可以提高响应电流或电压，这样可以有更宽的仪器选择范围，进一步降低噪声的影响。由于降低了噪声，可以缩短测量的采集时间，从而提高测量速度。

避免自发热问题

一个可能的误差源是过高的电流通过DUT时引起的自发热，这样的电流甚至可能引起采样的严重故障，因此在器件测验过程中仪器必须能自动限制电流源。可编程的电流和电压验证电路是大多数带有脉动电流功能、基于SMU测试系统的标准功能，某些低阻结构时应避免自发热。

当需要提高测试电流时，电流值必须保证不能引入过多的能量，避免将DUT加热到失效温度 (纳米器件能承受的热量很低，所以器件消耗的总能量必须保持在很低的水平)。另外，还必须非常小心测试电流值，使其保持足够低以保证DUT的纳米级通道不会饱和。例如，直径为1.5nm的电流通道严格限制了单位时间内可通过电子的数量。某些纳米级别的器件在导电状态只能承受几百纳安的电流。因此，即便在脉动应用中，器件的饱和电流已经限制了可加载的最大测试电流。

下面的公式描述了脉动模式下负载循环和测量时间如何影响DUT的功耗。为了计算脉动模式下的功耗，要将视在功耗(V*I)与测试激励的时间相乘再除以测试重复率：

采用低阻连接，例如通过纳米操纵器(nanomanipulator)，脉动模式还可用于状态密度测量。脉动模式还可以测量原来由于微粒的自发热无法实现的I/V位置测量。

可选择的其他测量仪器

高级的AC+DC电流源带有脉动模式，如Keithley的Model 6221。该波形发生器允许用户优化脉冲电流值、脉冲间歇、脉冲宽度，并且可与纳伏电压计之类的测量仪器同步触发。通过内建的同步机制，纳伏电压计可以在施加脉冲之后数微秒内开始读数。这一功能极大简化了微分电导测量，并且允许测量从10nΩ到100MΩ的电阻。这样的仪器组合是AC电阻电桥和锁相放大器测量的高性能替代选择。

采用这些先进的仪器测量微分电导，比过去的方法速度快10倍而且噪声更低。这种测量在单次扫描中完成，而不是取多次扫描结果的平均值，平均值方法的测量时间较长而且更容易产生误差。此外，这些仪器还可以在增量模式(delta mode)下使用，可以进一步提高精度。总之，与其他测试方法相比，这些技术可以将测量的精确度提高三个数量级。

电阻抗谱

电阻抗谱同许多使用纳米材料的器件都相关。一个例子是电化学电池，这种电池在膜电极组件(MEA)上采用纳米级材料作为催化剂。电池复数阻抗的电抗分量提供了在电池阴极和阳极处化学反应速度的直接测量—这是催化作用的直接反映。在其他应用中，电抗分量可以反映出材料介电电荷的分布以及外电场作用下材料介电性能重新取向的难易。

这种技术早已超越了直流电压或电流下的简单阻抗测量。复数阻抗是一种交流(或脉动直流)特性，可以用具有幅值和相位的矢量来表述。相位描述了电压或电流激励(零参考相位)与响应电流或电压在时间上的关系，以及结果的电流或电压响应。在任何频率下，阻抗都可以采用幅值和相角来表述。复数阻抗必须在某特定的激励频率下计算，由于器件可以简化为一个电阻与电容或电感串联或并联的模型，其相角必然随着频率变化。

通过测量复数电压和电流，可以用复数电压除以复数电流计算得到矢量阻抗，这只需要在每次电压和电流测量下记录相对时间。通过计算复数傅立叶变换得到最终结果，该变换将时域数据扩展到频域。

由于复数阻抗相角表示激励和得到的DUT响应之间的时间差(提前或延后)，因为任何相角可以用下面的关系式转换成时间。