【導讀】材料性質的研究是當代材料科學的重要一環，所謂材料的性質是指對材料功能特性和效用的定量度量和描述，即材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應。源表SMU 在當代材料科學研究中，起到舉足輕重的作用，選擇適合某類材料電性能測試的SMU，如何降低測試誤差，測試中應當注意什么，這些問題都需要重點關注。
前言
材料性質的研究是當代材料科學的重要一環，所謂材料的性質是指對材料功能特性和效用的定量度量和描述，即材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應。源表SMU 在當代材料科學研究中，起到舉足輕重的作用，選擇適合某類材料電性能測試的SMU，如何降低測試誤差，測試中應當注意什么，這些問題都需要重點關注。泰克吉時利的品牌在全球許多學科工程師和科學家中享有盛譽，其高精度源表（SMU）、萬用表、精密電源、微小信號測試以及數據采集產品，同泰克公司原有的產品線一同為當代材料科學研究提供多種測試方案。
【當代材料電學測試課堂】系列涉及當代材料科學尖端的電運輸及量子材料/超導材料測試、一維/碳納米管材料測試、二維材料及石墨烯測試及納米材料的應用測試。今天跟您分享第一篇，【當代材料電學測試課堂】系列之一： 納米測試（上）。
納米材料指的是三維空間尺度至少有一維處于納米量級(1-100nm)的材料，是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。納米材料可以按照多種尺度進行分類，按結構可以分為：零維材料 – 量子點，納米粉末，納米顆粒；一維材料 – 納米線或碳納米管；二維材料 – 納米薄膜，石墨烯；三維測量 - 納米固體材料。按組成可以分為：金屬納米材料，半導體納米材料，有機高分子納米材料，復合納米材料。下圖是將納米材料按其物理性質進行分類并列出納米材料應用的示意圖，由此可見，納米材料已經在多領域得到廣泛應用。
納米材料的特性與電子器件
由于納米材料的某一維或多維尺寸為納米量級，使得其具有許多異于宏尺寸材料的特性。納米材料的基本特性包括：表面與界面效應，如熔點降低比熱增大；小尺寸效應，如導體變得不能導電；絕緣體卻開始導電以及超硬特性；量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應。納米材料的理化性能為：高強度、高韌性；高比熱和熱膨脹系數；異常電導率和擴散率；高磁化率。
基于以上特性，納米材料被廣泛用于制作納米電子器件。納米電子器件指的是利用納米級加工和制備技術，設計制備而成的具有納米級尺度和特定功能的電子器件。納米電子器件包括納米CMOS 器件，如絕緣層上硅MOSFET、硅一鍺異質MOSFET、低溫MOSFET、雙極MOSFE T、本征硅溝道隧道型MOSFET等；量子效應器件；量子干涉器件、量子點器件；諧振隧道器件如橫向諧振遂道器件、諧振隧道晶體管, 諧振隧道場效應晶體管( RTEET)、雙極量子諧振隧道晶體管、諧振隧道熱電子晶體管等；縱向諧振隧道器件如隧道勢壘調制晶體管等；單電子器件如單電子箱、電容禍合和電阻禍合單電子晶體管、單電子神經網絡晶體管、單電子結陣列、單電子泵浦、單電子陷阱和單電子旋轉門等；單原子器件和單分子器件如單電子開關、單原子點接觸器件、單分子開關、分子線、量子效應分子電子器件、電化學分子電子器件等。
納米材料電學性能測試
納米材料的表征包括成分分析，顆粒分析，結構分析，性能分析，分析方法以電鏡分析為主，特別是掃描隧道電鏡（SMT)，在導體和半導體納米材料分析上具有優勢。
納米材料的電學性能測試是對其態密度（Density of State）進行分析。所謂態密度指的是單位能量范圍內所允許的電子數，也就是說電子在某一能量范圍的分布情況。態密度是微觀量，適合解釋納米粒子尺寸變化引起的特性。
X 射線光譜 （X-Ray Spectroscopy）是進行態密度測試的常規方法，但通過對納米材料電性能直接測試，也可以推到出態密度。用掃描隧道電鏡測試用微分電導（di/dv）隨電壓的曲線即可推到出態密度。這種方法利用低電平 AC 信號調制于靜態電流進行測試，電鏡電極與被測樣品間為高阻接觸。
由于X 射線光譜和掃描隧道電鏡都是昂貴的設備，如果不是制備并表征納米材料，僅僅是對納米材料進行應用性研究，源表（SMU） + 納米探針臺不失為一種高性價比的替代方案。與掃描隧道電鏡法不同，納米探針臺和被測樣品間為低阻接觸，這就要求SMU必須具備低電平測試能力，并根據被測樣品的阻抗改變SMU工作模式。這種方法主要測試被測樣品的電阻，電阻率及霍爾效應，更適合納米電子器件的測試。
二維納米材料電阻率測試
對二維納米材料（如石墨烯），電阻率測試是重要的測試項目，測試方法主要為四探針法（The Four-Point Collinear Probe Method）與范德堡法（The van der Pauw method）。
二維納米材料霍爾效應測試
當電流垂直于外磁場通過半導體時，載流子發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場，從而在半導體的兩端產生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。通過對電勢差測試，可以得到被測材料的載流子濃度與載流子遷移率等參數。二維納米材料霍爾效應測試，依然用范德堡法，但電極接線與范德堡法測試電阻率有所不同，并且在測試霍效應時，通常要加磁場。
納米材料及電子器件電學測試面臨的挑戰
●納米級尺寸，性能異于宏尺寸材料與器件
●狀態變化快，對測試儀器響應速度有要求
●需配合納米探針臺
●必須防自熱,否則極易燒毀被測樣品，需選擇帶有脈沖模式的 SMU
納米材料承受及測試電流超小（達 fA 級），承受及測試電壓超低（達 nV 級），不同種類的材料，電阻范圍超寬，從uΩ~TΩ,需選擇與被測納米材料和器件電性能相適應的 SMU，需多種降低誤差與噪聲的手段，如加流測壓或加壓測流，四線法連接，屏蔽與濾波，降低熱噪聲等。
有關納米材料電學測試方案將分別在《納米線/碳納米管測試方案》及《二維/石墨烯材料測試方案》中詳述。納米材料電學測試SMU 應用場景、測試特點及選型原則的示意圖，結合被測納米材料或納米電子器件的類型及測試要點，選擇最適合的SMU。4200 – SCS 幾乎適用于全部種類的納米材料的測試，當然，某些特殊的源表更適合一些特殊的應用。
（來源：泰克科技）
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