測(cè)量納米微粒需要重點(diǎn)注意的問(wèn)題解析
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對(duì)納米微粒(nanoscopic particle)來(lái)說(shuō)，這種通用的源-測(cè)量測(cè)試方法可以定量測(cè)量阻抗、電導(dǎo)和電阻，這些測(cè)量值揭示材料的關(guān)鍵性能。即便材料最終并非應(yīng)用于電路，這種測(cè)量方法仍然適用。
需要注意的問(wèn)題
測(cè)量納米微粒需要重點(diǎn)注意以下情況：
1.納米微粒無(wú)法承受宏觀器件負(fù)載的電流值(除非是超導(dǎo)材料)。這意味著測(cè)試時(shí)，必須小心控制電流激勵(lì)的大小。
2. 納米微粒無(wú)法承受傳統(tǒng)電子器件或材料(例如晶體管)與周圍器件之間那么高的電壓。其原因是器件的尺寸較小，彼此的距離更近，質(zhì)量也更小，周圍強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生的力會(huì)影響器件。此外，同納米微粒相關(guān)的內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度也很高，因此施加電壓時(shí)要非常小心。
3. 由于納米器件很小，產(chǎn)生的寄生電感和電容也較低，這一特點(diǎn)在電路應(yīng)用中尤為突出。與類似的宏觀器件相比，其開(kāi)關(guān)速度更快、功率損耗更低。然而，這也意味著測(cè)量此類器件I-V曲線的測(cè)試儀器在跟蹤較短反應(yīng)時(shí)間的同時(shí)必須對(duì)小電流進(jìn)行測(cè)量。
因?yàn)榧{米級(jí)測(cè)試應(yīng)用中激勵(lì)和測(cè)量的電流值一般都很低，需要恰當(dāng)?shù)剡x擇和使用儀器來(lái)完成精確的電氣特性測(cè)試。除了靈敏度高之外，測(cè)量?jī)x器的響應(yīng)時(shí)間也要短(有時(shí)也稱為高頻寬)，這些要求與DUT的低電容值以及低電流時(shí)迅速的狀態(tài)轉(zhuǎn)換有關(guān)。
測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇
需要指出的是，源-測(cè)量測(cè)試的電路開(kāi)關(guān)速度受到使用的儀器跟隨器件狀態(tài)的速度限制。如果測(cè)試的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化，這一點(diǎn)尤為突出。
現(xiàn)有的測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是電流源/測(cè)量電壓或電壓源/測(cè)量電流兩種。
在測(cè)量低阻抗器件(低于1000Ω)時(shí)，電流源/測(cè)量電壓的方法通常會(huì)獲得最好的結(jié)果。穩(wěn)定的電流源加載到低阻抗器件時(shí)，較容易得到好的信噪比，這樣可以實(shí)現(xiàn)精確的低電壓響應(yīng)測(cè)量。
另一種選擇是電壓源/測(cè)試電流，但這種方法并不適合低阻抗測(cè)量。為了保持器件的低電流以及避免毀壞性發(fā)熱，要求施加的電壓極低。低電壓情況下，電壓源會(huì)將 額外的噪聲引入到測(cè)量電流(響應(yīng))中。換言之，在加載的總電壓中很大一部分是電壓源的噪聲電壓。另外，低阻抗負(fù)載情況下電壓源穩(wěn)定性也差一些。有些電流測(cè) 量問(wèn)題與儀器的電壓負(fù)擔(dān)(安培計(jì)輸入端產(chǎn)生的電壓)有關(guān)，這也會(huì)引入額外的誤差。
測(cè)量高阻抗器件(阻抗值大于10,000Ω)時(shí)，電壓源/測(cè)量電流的方法是最好的選擇。很容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)高阻抗的穩(wěn)定電壓源。當(dāng)將一個(gè)設(shè)計(jì)良好的電壓源加載 到高阻抗器件時(shí)，將對(duì)DUT和測(cè)試電纜的雜散電容快速充電，并迅速達(dá)到最終的輸出值。采用適當(dāng)?shù)陌才嘤?jì)可以精確地測(cè)量DUT的低電流響應(yīng)。
另一種方法是電流源/測(cè)量電壓，這種方法在高阻抗測(cè)量中將會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。為了在實(shí)際測(cè)量中保持電壓響應(yīng)足夠低，必須采用低電流值，這意味著電路要用很長(zhǎng)時(shí)間 對(duì)器件和測(cè)試電纜的雜散電容充電。此外，高電壓測(cè)量電路也會(huì)從DUT中分流一部分源電流。由于這部分電流沒(méi)有被測(cè)量，因而這部分電流會(huì)造成測(cè)量誤差。
電噪聲
測(cè)量的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)影響電噪聲，并最終限制測(cè)量的靈敏度和精度。對(duì)于采用電流源激勵(lì)的低阻抗電壓測(cè)量來(lái)說(shuō)，測(cè)量電路對(duì)DUT的電壓噪聲和阻抗較為靈敏。
這個(gè)公式表明隨著DUT電阻值的提高噪聲值會(huì)降低。
對(duì)于所有尺寸的微粒來(lái)講，除Johnson噪聲之外，還可能存在與選擇的測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)的噪聲增益。噪聲增益指的是測(cè)量系統(tǒng)中噪聲的寄生放大，如果選擇 正確的測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種噪聲增益將不存在。例如，在一個(gè)電壓源/測(cè)量電流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，在很多電流測(cè)量電路(安培計(jì))中都采用運(yùn)算放大器，如圖1所示。 為了減小噪聲增益，對(duì)于非反向輸入端子，安培計(jì)電路必須在低增益條件下工作。
源-測(cè)量?jī)x器商用的直流源-測(cè)量單元(SMU)是一種可用于納米材料和器件測(cè)試的便利工具。SMU可以自動(dòng)改變測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如可以在電壓源/測(cè)量電流和電流源/測(cè)量電壓之間迅速轉(zhuǎn)換。這樣可以在最大化測(cè)量速度和精度的同時(shí)很容易地降低測(cè)量噪聲。
像前面提到的碳納米管(CNT)那樣，一些納米微粒應(yīng)用于不同外場(chǎng)時(shí)會(huì)改變狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)行此類材料的研究時(shí)，可以對(duì)SMU進(jìn)行配置來(lái)提供電壓源，并對(duì)處于高 阻態(tài)的納米粒子測(cè)量電流。如果材料處于低阻態(tài)，則轉(zhuǎn)換到電流源/電壓測(cè)量來(lái)獲得更高的精度。此外，SMU還帶有電流驗(yàn)證功能(compliance function)，可以自動(dòng)限制DC電流，防止電流過(guò)大損壞待測(cè)器件或材料。類似地，當(dāng)采用電流源時(shí)也有電壓驗(yàn)證功能。
使用驗(yàn)證功能時(shí)，SMU可以輸出滿足要求的電流/電壓源值，除非超過(guò)了用戶的驗(yàn)證值。例如，當(dāng)SMU設(shè)定在電壓源狀態(tài)，并預(yù)設(shè)了驗(yàn)證電流值，如果超過(guò)了這 個(gè)驗(yàn)證值，SMU立即自動(dòng)轉(zhuǎn)換為恒流源，其輸出值將穩(wěn)定在驗(yàn)證電流值。類似地，如果SMU設(shè)定在電流源狀態(tài)，并設(shè)定了一個(gè)驗(yàn)證電壓，當(dāng)DUT的阻抗和電流 源開(kāi)始使電壓高于驗(yàn)證值時(shí)，SMU將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電壓源(驗(yàn)證電壓)狀態(tài)。
像CNT開(kāi)關(guān)之類的納米級(jí)器件可以快速改變狀態(tài)，而儀器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換則并不能在瞬間完成。對(duì)于不同的SMU模式，開(kāi)關(guān)時(shí)間在100ns到100μs之間。盡 管對(duì)于跟蹤納米微粒的狀態(tài)轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，這樣的開(kāi)關(guān)速度還不夠快，但這么短的時(shí)間已經(jīng)足夠在每個(gè)狀態(tài)下完成精確測(cè)量，同時(shí)將DUT的功率損耗限制在可接受水 平。
低功率脈動(dòng)技術(shù)
對(duì)于納米級(jí)材料的測(cè)試來(lái)說(shuō)，選擇正確的測(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)提高測(cè)量的速度和降低噪聲依然不夠。例如，某些CNT的開(kāi)關(guān)速度是傳統(tǒng)CMOS晶體管開(kāi)關(guān)速度的 1000倍。這對(duì)于納安級(jí)的商用皮可安培計(jì)(picoammeter)來(lái)說(shuō)太快了。這類器件的測(cè)量要求采用更高速的阻抗測(cè)量技術(shù)。
低功率脈動(dòng)方法(pulsing technique)可以部分地解決這個(gè)問(wèn)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(cè)驗(yàn)電流或測(cè)驗(yàn)電壓，在很短的周期中施加這種 大激勵(lì)。較大的激勵(lì)可以降低源噪聲(通過(guò)提高信噪比)，并且可以改善電壓脈沖和電流脈沖信號(hào)的上升或穩(wěn)定時(shí)間。低噪聲的激勵(lì)源需要較少的濾波處理，并允許 更短的源激勵(lì)周期時(shí)間(更窄的脈沖寬度)。較大的源激勵(lì)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(cè)量的采集時(shí)間，從而提高測(cè)量速度。
避免自發(fā)熱問(wèn)題
一個(gè)可能的誤差源是過(guò)高的電流通過(guò)DUT時(shí)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(cè)驗(yàn)過(guò)程中儀器必須能自動(dòng)限制電流源。可編程 的電流和電壓驗(yàn)證電路是大多數(shù)帶有脈動(dòng)電流功能、基于SMU測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)功能，某些低阻結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)避免自發(fā)熱。
當(dāng)需要提高測(cè)試電流時(shí)，電流值必須保證不能引入過(guò)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(cè)試電流值，使其保持足夠低以保證DUT的納米級(jí)通道不 會(huì)飽和。例如，直徑為1.5nm的電流通道嚴(yán)格限制了單位時(shí)間內(nèi)可通過(guò)電子的數(shù)量。某些納米級(jí)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(dòng)應(yīng)用中，器件的飽和電流已經(jīng)限制了可加載的最大測(cè)試電流。
下面的公式描述了脈動(dòng)模式下負(fù)載循環(huán)和測(cè)量時(shí)間如何影響DUT的功耗。為了計(jì)算脈動(dòng)模式下的功耗，要將視在功耗(V*I)與測(cè)試激勵(lì)的時(shí)間相乘再除以測(cè)試重復(fù)率：
采用低阻連接，例如通過(guò)納米操縱器(nanomanipulator)，脈動(dòng)模式還可用于狀態(tài)密度測(cè)量。脈動(dòng)模式還可以測(cè)量原來(lái)由于微粒的自發(fā)熱無(wú)法實(shí)現(xiàn)的I/V位置測(cè)量。
可選擇的其他測(cè)量?jī)x器
高級(jí)的AC+DC電流源帶有脈動(dòng)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(cè)量?jī)x器同步觸發(fā)。通過(guò)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(kāi)始讀數(shù)。這一功能極大簡(jiǎn)化了微分電導(dǎo)測(cè)量，并且允許測(cè)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(cè)量的高性能替代選擇。
采用這些先進(jìn)的儀器測(cè)量微分電導(dǎo)，比過(guò)去的方法速度快10倍而且噪聲更低。這種測(cè)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(cè)量時(shí) 間較長(zhǎng)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(cè)試方法相比，這些技術(shù)可以將測(cè)量的精確度提高三個(gè)數(shù)量級(jí)。
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(gè)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(jí)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(yáng)極處化學(xué)反應(yīng)速度的直接測(cè)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(chǎng)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(jiǎn)單阻抗測(cè)量。復(fù)數(shù)阻抗是一種交流(或脈動(dòng)直流)特性，可以用具有幅值和相位的矢量來(lái)表述。相位描述了電壓或電流激 勵(lì)(零參考相位)與響應(yīng)電流或電壓在時(shí)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(lái)表述。復(fù)數(shù)阻抗必須在某特定的激 勵(lì)頻率下計(jì)算，由于器件可以簡(jiǎn)化為一個(gè)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(guò)測(cè)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(cè)量下記錄相對(duì)時(shí)間。通過(guò)計(jì)算復(fù)數(shù)傅立葉變換得到最終結(jié)果，該變換將時(shí)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(lì)和得到的DUT響應(yīng)之間的時(shí)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(shí)間。
這是在激勵(lì)和響應(yīng)之間的時(shí)間偏移，與是電壓還是電流激勵(lì)無(wú)關(guān)。因此，如果我們?cè)陔妷汉碗娏鳒y(cè)量時(shí)記錄時(shí)間，我們可以通過(guò)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(cè)量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇對(duì)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(cè)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(gè)穩(wěn)定的時(shí)基。要求的采樣頻率、采集時(shí)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)。
評(píng)論