納米材料與器件的電氣測量方法

低功率脈動技術(shù)

對于納米級材料的測試來說，選擇正確的測量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來提高測量的速度和降低噪聲依然不夠。例如，某些CNT的開關(guān)速度是傳統(tǒng)CMOS晶體管開關(guān)速度的1000倍。這對于納安級的商用皮可安培計(jì)(picoammeter)來說太快了。這類器件的測量要求采用更高速的阻抗測量技術(shù)。

低功率脈動方法(pulsing technique)可以部分地解決這個問題，這種技術(shù)已經(jīng)可以用在一些SMU設(shè)計(jì)上。這種概念是采用很高的測驗(yàn)電流或測驗(yàn)電壓，在很短的周期中施加這種大激勵。較大的激勵可以降低源噪聲(通過提高信噪比)，并且可以改善電壓脈沖和電流脈沖信號的上升或穩(wěn)定時間。低噪聲的激勵源需要較少的濾波處理，并允許更短的源激勵周期時間(更窄的脈沖寬度)。較大的源激勵可以提高響應(yīng)電流或電壓，這樣可以有更寬的儀器選擇范圍，進(jìn)一步降低噪聲的影響。由于降低了噪聲，可以縮短測量的采集時間，從而提高測量速度。

避免自發(fā)熱問題

一個可能的誤差源是過高的電流通過DUT時引起的自發(fā)熱，這樣的電流甚至可能引起采樣的嚴(yán)重故障，因此在器件測驗(yàn)過程中儀器必須能自動限制電流源?？删幊痰碾娏骱碗妷候?yàn)證電路是大多數(shù)帶有脈動電流功能、基于SMU測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能，某些低阻結(jié)構(gòu)時應(yīng)避免自發(fā)熱。

當(dāng)需要提高測試電流時，電流值必須保證不能引入過多的能量，避免將DUT加熱到失效溫度 (納米器件能承受的熱量很低，所以器件消耗的總能量必須保持在很低的水平)。另外，還必須非常小心測試電流值，使其保持足夠低以保證DUT的納米級通道不會飽和。例如，直徑為1.5nm的電流通道嚴(yán)格限制了單位時間內(nèi)可通過電子的數(shù)量。某些納米級別的器件在導(dǎo)電狀態(tài)只能承受幾百納安的電流。因此，即便在脈動應(yīng)用中，器件的飽和電流已經(jīng)限制了可加載的最大測試電流。

下面的公式描述了脈動模式下負(fù)載循環(huán)和測量時間如何影響DUT的功耗。為了計(jì)算脈動模式下的功耗，要將視在功耗(V*I)與測試激勵的時間相乘再除以測試重復(fù)率：

采用低阻連接，例如通過納米操縱器(nanomanipulator)，脈動模式還可用于狀態(tài)密度測量。脈動模式還可以測量原來由于微粒的自發(fā)熱無法實(shí)現(xiàn)的I/V位置測量。

可選擇的其他測量儀器

高級的AC+DC電流源帶有脈動模式，如Keithley的Model 6221。該波形發(fā)生器允許用戶優(yōu)化脈沖電流值、脈沖間歇、脈沖寬度，并且可與納伏電壓計(jì)之類的測量儀器同步觸發(fā)。通過內(nèi)建的同步機(jī)制，納伏電壓計(jì)可以在施加脈沖之后數(shù)微秒內(nèi)開始讀數(shù)。這一功能極大簡化了微分電導(dǎo)測量，并且允許測量從10nΩ到100MΩ的電阻。這樣的儀器組合是AC電阻電橋和鎖相放大器測量的高性能替代選擇。

采用這些先進(jìn)的儀器測量微分電導(dǎo)，比過去的方法速度快10倍而且噪聲更低。這種測量在單次掃描中完成，而不是取多次掃描結(jié)果的平均值，平均值方法的測量時間較長而且更容易產(chǎn)生誤差。此外，這些儀器還可以在增量模式(delta mode)下使用，可以進(jìn)一步提高精度?？傊?，與其他測試方法相比，這些技術(shù)可以將測量的精確度提高三個數(shù)量級。

電阻抗譜

電阻抗譜同許多使用納米材料的器件都相關(guān)。一個例子是電化學(xué)電池，這種電池在膜電極組件(MEA)上采用納米級材料作為催化劑。電池復(fù)數(shù)阻抗的電抗分量提供了在電池陰極和陽極處化學(xué)反應(yīng)速度的直接測量—這是催化作用的直接反映。在其他應(yīng)用中，電抗分量可以反映出材料介電電荷的分布以及外電場作用下材料介電性能重新取向的難易。

這種技術(shù)早已超越了直流電壓或電流下的簡單阻抗測量。復(fù)數(shù)阻抗是一種交流(或脈動直流)特性，可以用具有幅值和相位的矢量來表述。相位描述了電壓或電流激勵(零參考相位)與響應(yīng)電流或電壓在時間上的關(guān)系，以及結(jié)果的電流或電壓響應(yīng)。在任何頻率下，阻抗都可以采用幅值和相角來表述。復(fù)數(shù)阻抗必須在某特定的激勵頻率下計(jì)算，由于器件可以簡化為一個電阻與電容或電感串聯(lián)或并聯(lián)的模型，其相角必然隨著頻率變化。

通過測量復(fù)數(shù)電壓和電流，可以用復(fù)數(shù)電壓除以復(fù)數(shù)電流計(jì)算得到矢量阻抗，這只需要在每次電壓和電流測量下記錄相對時間。通過計(jì)算復(fù)數(shù)傅立葉變換得到最終結(jié)果，該變換將時域數(shù)據(jù)擴(kuò)展到頻域。

由于復(fù)數(shù)阻抗相角表示激勵和得到的DUT響應(yīng)之間的時間差(提前或延后)，因?yàn)槿魏蜗嘟强梢杂孟旅娴年P(guān)系式轉(zhuǎn)換成時間。

這是在激勵和響應(yīng)之間的時間偏移，與是電壓還是電流激勵無關(guān)。因此，如果我們在電壓和電流測量時記錄時間，我們可以通過恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換計(jì)算出復(fù)數(shù)阻抗。

我們已經(jīng)討論了適當(dāng)測量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇對降低噪聲和提高系統(tǒng)速度的重要性。另外，為了精確表征復(fù)數(shù)阻抗，儀器和測量方法還需要合適的采樣頻率。而且，為了計(jì)算阻抗，儀器需要有一個穩(wěn)定的時基。要求的采樣頻率、采集時間和數(shù)學(xué)變換取決于精度和DUT復(fù)數(shù)阻抗的性質(zhì)。