能同時(shí)測量納米器件機械電子和電氣特性的測試系統

研究納米級材料的電氣特性通常要綜合使用探測和顯微技術(shù)對感興趣的點(diǎn)進(jìn)行確定性測量。但是，必須考慮的一個(gè)額外因素是施加的探針壓力對測試結果的影響，因為很多材料具有壓力相關(guān)性，壓力會(huì )引起材料的電氣特征發(fā)生巨大的變化?，F在，一種新的測量技術(shù)能夠將納米材料的電氣和機械特性表示為施加探針壓力的函數，為人們揭示之前無(wú)法看到的納米現象。

美國Hysitron公司基于吉時(shí)利（Keithley）儀器公司雙通道數字源表設計的納米級電接觸電阻測量工具nanoECR能夠在高度受控的負載或置換接觸條件下實(shí)現現場(chǎng)的電氣和機械特性測量。Hysitron公司工程師David Vodnick表示，該技術(shù)能夠提供多種測量的時(shí)基相關(guān)性，包括壓力、置換、電流和電壓，大大增加我們能夠從傳統納米級探針測量中所獲得的信息量。這種測量是從各類(lèi)納米級材料和器件中提取多種參數的基礎。

新測量方法

納米技術(shù)應用的多樣性為耦合機械測量與電氣測量，同時(shí)又實(shí)現高精度、可重復性和探針定位，提出了一系列的特殊挑戰。此外，納米觸點(diǎn)獨特的幾何尺寸也使我們面臨著(zhù)很多技術(shù)難題。

Hysitron公司工程師Ryan Major 介紹說(shuō)，該系統集成了Hysitron TriboIndenter納米機械測試儀和吉時(shí)利2602型雙通道數字源表，此外還包括一個(gè)導電樣本臺、一個(gè)獲專(zhuān)利授權的電容（nanoECR）轉換器和一個(gè)導電硬度探針（圖1）。該轉換器能夠通過(guò)電流，無(wú)需給探針連接外部導線(xiàn)，從而最大限度地提高了測試精度和可重復性。這種“穿針”式測量結構確保了安全接觸，有助于減少可能出錯的來(lái)源。

“該系統還包括一個(gè)完整集成的數據采集系統，支持壓力-位移和電流-電壓測量之間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。用戶(hù)可以在這一采集系統上連接輔助測試儀，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并提取其他所需的參數”，David Vodnick補充道，通過(guò)其用戶(hù)界面可以在很寬的負載和位移控制條件下方便地配置所有的測試變量。這一特點(diǎn)得益于數字源表的板載測試腳本處理器，它能夠自動(dòng)運行測試序列，為其他硬件元件提供同步，盡可能地減少系統各個(gè)部分之間的時(shí)序/控制問(wèn)題。

系統測試流程與實(shí)例

Ryan Major表示，在該系統的測試過(guò)程中，探針被推進(jìn)到樣本表面，同時(shí)連續監測位移。根據壓力和位移數據可以直接計算出樣本的硬度和彈性模量。對于電氣參數，吉時(shí)利數字源表向導電臺加載一個(gè)偏壓，待測器件（DUT）與導電臺實(shí)現電氣耦合。當導電硬度探針刺入材料，系統就可以連續測量電流、電壓、壓力和位移。壓力驅動(dòng)/位移檢測功能通過(guò)靜電驅動(dòng)的轉換器實(shí)現，具有極低的測量噪聲和極高的靈敏度。轉換器/探針組合安裝在壓電定位系統上，實(shí)現了樣本拓撲結構的掃描探針顯微（SPM）成像和非常精確的測試定位。在典型測量過(guò)程中，數字源表的一個(gè)通道用于實(shí)現源和測量操作，另一個(gè)通道用作電流到電壓放大器，將電流數據傳輸到控制計算機?？刂栖浖O其靈活，允許用戶(hù)指定并測量源電流和電壓的幅值，對預定義的壓力或位移點(diǎn)進(jìn)行I-V掃描。用戶(hù)通過(guò)nanoECR軟件界面控制所有的數字源表功能，無(wú)需手動(dòng)修改儀表本身上的參數。憑借該軟件的靈活性和自動(dòng)化的測試例程，用戶(hù)無(wú)需手動(dòng)操作，能夠測試最具挑戰性的樣本。測試時(shí)間高度取決于用戶(hù)定義的變量，但是普通的測試序列耗時(shí)只有大約1分鐘。

David Vodnick舉例說(shuō)，硅是一種很好的材料實(shí)例。在探針加載/撤除過(guò)程中隨著(zhù)探針壓力的增大/減小，處于移動(dòng)探針下的納米變形區內會(huì )出現一系列相位變換。在加載探針的過(guò)程中，Si-I（菱形立方晶體結構）在大約11～12GPa的壓力下將轉變?yōu)镾i-II（金屬β-Sn)。在撤除探針時(shí)隨著(zhù)探針/樣本接觸壓力的減小，將會(huì )進(jìn)一步出現從Si-II到Si-III/XII的轉變。探針加載/撤除的速度也會(huì )影響材料的電氣特性。例如，在硅表面從最大負荷壓力下快速撤除探針將會(huì )形成α-Si，表現出完全不同的電氣特征。這類(lèi)測量對于諸如硅基MEMS和NEMS器件的研究是非常關(guān)鍵的。在這類(lèi)器件中，對小結構施加的小壓力會(huì )轉變成大壓力，引起材料內部微結構的變化，進(jìn)而決定材料的電氣和機械特性。

總結

成功的開(kāi)發(fā)和制備納米級材料和器件在很大程度上取決于能否定量地評測和控制它們的電氣和機械特性。nanoECR系統的獨特方案提供了一種直接、方便而定量的技術(shù)，使研究人員能夠測出通過(guò)傳統方法不可能測出的材料特性/行為。除了硅之外，這種研究工具還能夠用于研究金屬玻璃、壓電薄膜、有機LED、太陽(yáng)電池和LCD中的ITO薄膜，以及各種納米固體材料，使人們能夠洞察到薄膜斷面、錯位成核、變形瞬態(tài)、接觸電阻、老化、二極管行為、隧道效應、壓電響應等微觀(guān)現象。