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(ju) 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，測試中應當注意什麽(me) ，這些問題都需要重點關(guan) 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(wan) 用表、精密電源、微小信號測試以及數據采集產(chan) 品，同泰克公司原有的產(chan) 品線一同為(wei) 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】係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】係列之一：納米測試（上）。

納米材料指的是三維空間尺度至少有一維處於(yu) 納米量級(1-100nm)的材料，是由尺寸介於(yu) 原子、分子和宏觀體(ti) 係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(wei) ：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(ti) 材料。按組成可以分為(wei) ：金屬納米材料，半導體(ti) 納米材料，有機高分子納米材料，複合納米材料。下圖是將納米材料按其物理性質進行分類並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(yu) 電子器件

由於(yu) 納米材料的某一維或多維尺寸為(wei) 納米量級，使得其具有許多異於(yu) 宏尺寸材料的特性。納米材料的基本特性包括：表麵與(yu) 界麵效應，如熔點降低比熱增大；小尺寸效應，如導體(ti) 變得不能導電；絕緣體(ti) 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(wei) ：高強度、高韌性；高比熱和熱膨脹係數；異常電導率和擴散率；高磁化率。

基於(yu) 以上特性，納米材料被廣泛用於(yu) 製作納米電子器件。納米電子器件指的是利用納米級加工和製備技術，設計製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，如絕緣層上矽MOSFET、矽一鍺異質MOSFET、低溫MOSFET、雙極MOSFET、本征矽溝道隧道型MOSFET等；量子效應器件；量子幹涉器件、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(ti) 管,諧振隧道場效應晶體(ti) 管(RTEET)、雙極量子諧振隧道晶體(ti) 管、諧振隧道熱電子晶體(ti) 管等；縱向諧振隧道器件如隧道勢壘調製晶體(ti) 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(ti) 管、單電子神經網絡晶體(ti) 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(guan) 、單原子點接觸器件、單分子開關(guan) 、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(wei) 主，特別是掃描隧道電鏡（SMT)，在導體(ti) 和半導體(ti) 納米材料分析上具有優(you) 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範圍內(nei) 所允許的電子數，也就是說電子在某一能量範圍的分布情況。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信號調製於(yu) 靜態電流進行測試，電鏡電極與(yu) 被測樣品間為(wei) 高阻接觸。

由於(yu) X射線光譜和掃描隧道電鏡都是昂貴的設備，如果不是製備並表征納米材料，僅(jin) 僅(jin) 是對納米材料進行應用性研究，源表（SMU）+納米探針台不失為(wei) 一種高性價(jia) 比的替代方案。與(yu) 掃描隧道電鏡法不同，納米探針台和被測樣品間為(wei) 低阻接觸，這就要求SMU必須具備低電平測試能力，並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(wei) 四探針法（The Four-Point Collinear Probe Method）與(yu) 範德堡法（Thevander Pauwmethod）。

二維納米材料霍爾效應測試

當電流垂直於(yu) 外磁場通過半導體(ti) 時，載流子發生偏轉，垂直於(yu) 電流和磁場的方向會(hui) 產(chan) 生一附加電場，從(cong) 而在半導體(ti) 的兩(liang) 端產(chan) 生電勢差，這一現象就是霍爾效應，這個(ge) 電勢差也被稱為(wei) 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(yu) 載流子遷移率等參數。二維納米材料霍爾效應測試，依然用範德堡法，但電極接線與(yu) 範德堡法測試電阻率有所不同，並且在測試霍效應時，通常要加磁場。

納米材料及電子器件電學測試麵臨(lin) 的挑戰

納米級尺寸，性能異於(yu) 宏尺寸材料與(yu) 器件；

狀態變化快，對測試儀(yi) 器響應速度有要求；

需配合納米探針台；

必須防自熱,否則極易燒毀被測樣品，需選擇帶有脈衝(chong) 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，電阻範圍超寬，從(cong) uΩ~TΩ,需選擇與(yu) 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(yu) 噪聲的手段，如加流測壓或加壓測流，四線法連接，屏蔽與(yu) 濾波，降低熱噪聲等。

有關(guan) 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幾乎適用於(yu) 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。了解當代材料電學測試更多詳細內(nei) 容，https://www.tek.com.cn/application/material-science。

關(guan) 於(yu) 泰克科技

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