測量納米微粒需要重點(diǎn)注意的問(wèn)題解析
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對納米微粒(nanoscopic particle)來(lái)說(shuō)，這種通用的源-測量測試方法可以定量測量阻抗、電導和電阻，這些測量值揭示材料的關(guān)鍵性能。即便材料最終并非應用于電路，這種測量方法仍然適用。
需要注意的問(wèn)題
測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(guān)器件負載的電流值(除非是超導材料)。這意味著(zhù)測試時(shí)，必須小心控制電流激勵的大小。
2. 納米微粒無(wú)法承受傳統電子器件或材料(例如晶體管)與周?chē)骷g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?chē)鷱婋妶?chǎng)產(chǎn)生的力會(huì )影響器件。此外，同納米微粒相關(guān)的內部電場(chǎng)強度也很高，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)在電路應用中尤為突出。與類(lèi)似的宏觀(guān)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(zhù)測量此類(lèi)器件I-V曲線(xiàn)的測試儀器在跟蹤較短反應時(shí)間的同時(shí)必須對小電流進(jìn)行測量。
因為納米級測試應用中激勵和測量的電流值一般都很低，需要恰當地選擇和使用儀器來(lái)完成精確的電氣特性測試。除了靈敏度高之外，測量?jì)x器的響應時(shí)間也要短(有時(shí)也稱(chēng)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)轉換有關(guān)。
測量拓撲結構的選擇
需要指出的是，源-測量測試的電路開(kāi)關(guān)速度受到使用的儀器跟隨器件狀態(tài)的速度限制。如果測試的拓撲結構沒(méi)有經(jīng)過(guò)優(yōu)化，這一點(diǎn)尤為突出。
現有的測量拓撲結構是電流源/測量電壓或電壓源/測量電流兩種。
在測量低阻抗器件(低于1000Ω)時(shí)，電流源/測量電壓的方法通常會(huì )獲得最好的結果。穩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)現精確的低電壓響應測量。
另一種選擇是電壓源/測試電流，但這種方法并不適合低阻抗測量。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量電流(響應)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，低阻抗負載情況下電壓源穩定性也差一些。有些電流測 量問(wèn)題與儀器的電壓負擔(安培計輸入端產(chǎn)生的電壓)有關(guān)，這也會(huì )引入額外的誤差。
測量高阻抗器件(阻抗值大于10,000Ω)時(shí)，電壓源/測量電流的方法是最好的選擇。很容易實(shí)現驅動(dòng)高阻抗的穩定電壓源。當將一個(gè)設計良好的電壓源加載 到高阻抗器件時(shí)，將對DUT和測試電纜的雜散電容快速充電，并迅速達到最終的輸出值。采用適當的安培計可以精確地測量DUT的低電流響應。
另一種方法是電流源/測量電壓，這種方法在高阻抗測量中將會(huì )出現問(wèn)題。為了在實(shí)際測量中保持電壓響應足夠低，必須采用低電流值，這意味著(zhù)電路要用很長(cháng)時(shí)間 對器件和測試電纜的雜散電容充電。此外，高電壓測量電路也會(huì )從DUT中分流一部分源電流。由于這部分電流沒(méi)有被測量，因而這部分電流會(huì )造成測量誤差。
電噪聲
測量的拓撲結構也會(huì )影響電噪聲，并最終限制測量的靈敏度和精度。對于采用電流源激勵的低阻抗電壓測量來(lái)說(shuō)，測量電路對DUT的電壓噪聲和阻抗較為靈敏。
這個(gè)公式表明隨著(zhù)DUT電阻值的提高噪聲值會(huì )降低。
對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量拓撲結構有關(guān)的噪聲增益。噪聲增益指的是測量系統中噪聲的寄生放大，如果選擇 正確的測量拓撲結構，這種噪聲增益將不存在。例如，在一個(gè)電壓源/測量電流的拓撲結構中，在很多電流測量電路(安培計)中都采用運算放大器，如圖1所示。 為了減小噪聲增益，對于非反向輸入端子，安培計電路必須在低增益條件下工作。
源-測量?jì)x器商用的直流源-測量單元(SMU)是一種可用于納米材料和器件測試的便利工具。SMU可以自動(dòng)改變測量拓撲結構，例如可以在電壓源/測量電流和電流源/測量電壓之間迅速轉換。這樣可以在最大化測量速度和精度的同時(shí)很容易地降低測量噪聲。
像前面提到的碳納米管(CNT)那樣，一些納米微粒應用于不同外場(chǎng)時(shí)會(huì )改變狀態(tài)。當進(jìn)行此類(lèi)材料的研究時(shí)，可以對SMU進(jìn)行配置來(lái)提供電壓源，并對處于高 阻態(tài)的納米粒子測量電流。如果材料處于低阻態(tài)，則轉換到電流源/電壓測量來(lái)獲得更高的精度。此外，SMU還帶有電流驗證功能(compliance function)，可以自動(dòng)限制DC電流，防止電流過(guò)大損壞待測器件或材料。類(lèi)似地，當采用電流源時(shí)也有電壓驗證功能。
使用驗證功能時(shí)，SMU可以輸出滿(mǎn)足要求的電流/電壓源值，除非超過(guò)了用戶(hù)的驗證值。例如，當SMU設定在電壓源狀態(tài)，并預設了驗證電流值，如果超過(guò)了這 個(gè)驗證值，SMU立即自動(dòng)轉換為恒流源，其輸出值將穩定在驗證電流值。類(lèi)似地，如果SMU設定在電流源狀態(tài)，并設定了一個(gè)驗證電壓，當DUT的阻抗和電流 源開(kāi)始使電壓高于驗證值時(shí)，SMU將自動(dòng)轉換到電壓源(驗證電壓)狀態(tài)。
像CNT開(kāi)關(guān)之類(lèi)的納米級器件可以快速改變狀態(tài)，而儀器的狀態(tài)轉換則并不能在瞬間完成。對于不同的SMU模式，開(kāi)關(guān)時(shí)間在100ns到100μs之間。盡 管對于跟蹤納米微粒的狀態(tài)轉換來(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)
對于納米級材料的測試來(lái)說(shuō)，選擇正確的測量拓撲結構來(lái)提高測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CMOS晶體管開(kāi)關(guān)速度的 1000倍。這對于納安級的商用皮可安培計(picoammeter)來(lái)說(shuō)太快了。這類(lèi)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(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設計上。這種概念是采用很高的測驗電流或測驗電壓，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(guò)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定時(shí)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(shí)間(更窄的脈沖寬度)。較大的源激勵可以提高響應電流或電壓，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(shí)間，從而提高測量速度。
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重故障，因此在器件測驗過(guò)程中儀器必須能自動(dòng)限制電流源。可編程 的電流和電壓驗證電路是大多數帶有脈動(dòng)電流功能、基于SMU測試系統的標準功能，某些低阻結構時(shí)應避免自發(fā)熱。
當需要提高測試電流時(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，還必須非常小心測試電流值，使其保持足夠低以保證DUT的納米級通道不 會(huì )飽和。例如，直徑為1.5nm的電流通道嚴格限制了單位時(shí)間內可通過(guò)電子的數量。某些納米級別的器件在導電狀態(tài)只能承受幾百納安的電流。因此，即便在脈 動(dòng)應用中，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(dòng)模式下負載循環(huán)和測量時(shí)間如何影響DUT的功耗。為了計算脈動(dòng)模式下的功耗，要將視在功耗(V*I)與測試激勵的時(shí)間相乘再除以測試重復率：
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)密度測量。脈動(dòng)模式還可以測量原來(lái)由于微粒的自發(fā)熱無(wú)法實(shí)現的I/V位置測量。
可選擇的其他測量?jì)x器
高級的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(hù)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之類(lèi)的測量?jì)x器同步觸發(fā)。通過(guò)內建的同步機制，納伏電壓計可以在 施加脈沖之后數微秒內開(kāi)始讀數。這一功能極大簡(jiǎn)化了微分電導測量，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，比過(guò)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果的平均值，平均值方法的測量時(shí) 間較長(cháng)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(gè)數量級。
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(gè)例子是電化學(xué)電池，這種電池在膜電極組件(MEA)上采用納米級材料作為催化劑。電池復數阻抗的電抗分量提 供了在電池陰極和陽(yáng)極處化學(xué)反應速度的直接測量—這是催化作用的直接反映。在其他應用中，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)單阻抗測量。復數阻抗是一種交流(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(零參考相位)與響應電流或電壓在時(shí)間上的關(guān)系，以及結果的電流或電壓響應。在任何頻率下，阻抗都可以采用幅值和相角來(lái)表述。復數阻抗必須在某特定的激 勵頻率下計算，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(zhù)頻率變化。
通過(guò)測量復數電壓和電流，可以用復數電壓除以復數電流計算得到矢量阻抗，這只需要在每次電壓和電流測量下記錄相對時(shí)間。通過(guò)計算復數傅立葉變換得到最終結果，該變換將時(shí)域數據擴展到頻域。
由于復數阻抗相角表示激勵和得到的DUT響應之間的時(shí)間差(提前或延后)，因為任何相角可以用下面的關(guān)系式轉換成時(shí)間。
這是在激勵和響應之間的時(shí)間偏移，與是電壓還是電流激勵無(wú)關(guān)。因此，如果我們在電壓和電流測量時(shí)記錄時(shí)間，我們可以通過(guò)恰當的數學(xué)變
換計算出復數阻抗。
我們已經(jīng)討論了適當測量拓撲結構的選擇對降低噪聲和提高系統速度的重要性。另外，為了精確表征復數阻抗，儀器和測量方法還需要合適的采樣頻率。而且，為了 計算阻抗，儀器需要有一個(gè)穩定的時(shí)基。要求的采樣頻率、采集時(shí)間和數學(xué)變換取決于精度和DUT復數阻抗的性質(zhì)。
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