納米電測量

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更新時間: 2013-09-04

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為了應對納米科學的挑戰,研究者必須進行多種多樣的測量工作,包括電流-電壓(I-V)特性、電阻、電阻率和電導率、輸運、光譜和能量的測量,以揭示物質在納米尺度上的錯綜複雜的規律,並基於納米材料來製作可靠的電子器件。

納米電測量 -定義概述

納米技術與科學吸引著來自於電子學乃至化學再到生物學的諸多學科領域的研究者,推動著他們不斷運用碳納米管 、化學分子、量子點、甚至聚合物研發出新的材料和元器件及多種多樣的潛在應用和產品,無論是感測器 、給葯系統、更堅固和輕巧的材料、更快與更小的電子元器件,還是更高效的能量系統,都將成為納米技術研究的創新成就。

為了應對納米科學的挑戰,研究者必須進行多種多樣的測量工作,包括電流-電壓(I-V)特性、電阻、電阻率和電導率、輸運、光譜和能量的測量,以揭示物質在納米尺度上的錯綜複雜的規律,並基於納米材料來製作可靠的電子器件。

納米電測量 -存在的挑戰

研究者們在試圖進行靈敏的測量之前,還必須理解一些納米電測量中存在的挑戰。
這些挑戰包括:
•測量的基本原理 
•學習曲線
•靈敏度與解析度
•誤差源

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•電纜、連接與探針
•計測標準 

納米電測量 -基本原理

對納米元器件的電測量——電壓、電阻和電流——都帶來了一些特有的困難,而且本身容易產生誤差。研發涉及量子水平上的材料與元器件,這也給人們的電學測量工作帶來了種種限制。在任何測量中,靈敏度的理論極限是由電路中的電阻所產生的雜訊來決定的。電壓雜訊與電阻的方根、帶寬和絕對溫度成正比。高的源電阻限制了電壓測量的理論靈敏度 。雖然完全可能在源電阻抗為1的情況下對1V的信號進行測量,但在一個太歐姆的信號源上測量同樣的1V的信號是現實的。即使源電阻大幅降低至1,對一個1V的信號的測量也接近了理論極限,因此要使用一個普通的數字多用表(DMM)進行測量將變得十分困難。

除了電壓或電流靈敏度不夠高之外,許多DMM在測量電壓時的輸入偏移電流很高,而相對於那些納米技術常常需要的、靈敏度更高的低電平DC測量儀器 而言,DMM的輸入電阻又過低。這些特點增加了測量的雜訊,給電路帶來不必要的干擾,從而造成測量的誤差。

系統搭建完畢后,必須對其性能進行校驗,而且消除潛在的誤差源。誤差的來源可以包括電纜、連接線、探針 、沾污和熱量。

納米電測量 -誤差及誤差解決方案

要測量弱電流,就必須理解各種潛在的誤差源 ,這些誤差會造成人們所不希望出現的測量誤差 。影響多種類型的納米電子器件的測量結果的兩種極為常見的誤差源是摩擦生電效應和電化學效應(圖1)。 
 
納米電測量圖1
 
圖1:導體和絕緣體之間的摩擦所產生的電荷將引發所謂的摩擦生電 (Triboelectric)電流。摩擦作用從導體上掠走自由電子,從而造成電荷不平衡性,這相應產生了電流,共軸電纜中的絕緣體和導體的相互摩擦作用就是這樣的一個例子。誤差電流 也會由於電化學效應而引起,在這種過程中,離子性的化學物質會在兩個導體間形成微弱的電池。印刷電路板上的腐蝕溶液、助焊劑或者其他沾污會在導體間形成幾個nA的電流。

導體與絕緣體間的摩擦所產生的電荷將引發摩擦生電(Triboelectric)電流。摩擦作用從導體上掠走自由電子,從而造成電荷不平衡性,並相應形成電流。典型的實例是如圖中所示的同軸電纜中的絕緣體和導體一起摩擦而產生的電流。「低雜訊 」電纜大大降低這一效應。在它的外屏蔽之下,內絕緣體往往是塗覆石墨的聚乙烯。石墨起到潤滑的作用並構成了一個導電的等電位筒,以保持電荷平衡,並最大限度減少電纜運動所致的摩擦產生的電荷。不過即使是低雜訊的電纜在承受震動、拉伸和收縮時也會產生一定的雜訊,因此應該儘可能縮短所有的連接線,而且避免溫度變化(會產生熱膨脹力),最好把電纜用膠帶粘貼或者捆綁到無振動的表面上,如牆面、工作台或者剛性的結構上。

其他應對移動和振動問題的解決方案包括:
•除去振動源或者與振動源間在機械上解耦。電機、水泵和其他機電裝置都是常見的振動源 。
•穩定整個測試環境。保證電子元器件、導線和電纜的穩固安裝或者捆綁固定。屏蔽應該保證穩定。

其他相互接觸的絕緣體和導體間也會發生摩擦生電效應。因此,應該在建造測試裝置和進行弱電流 與高阻抗的連接時,應該儘可能減少絕緣體與導體間的接觸。

誤差電流也可能由電化學效應而引起,即離子性的化學物質將在兩個導體間形成微弱的化學電池。例如,常用的樹脂印刷電路板上的腐蝕溶液、助焊劑或者其他的沾污若未被徹底清除,將在導體間產生幾個nA的電流。絕緣體的電阻會由於高濕度環境或者離子沾污的存在而大幅下降。

為了避免沾污和潮氣的影響,應選擇那些能避免吸收水汽的絕緣體,並讓濕度處於適中的水平。此外還應該確保所有的絕緣體都保持清潔,避免沾污。若絕緣體被沾污,應當用甲醇等清潔劑來清潔所有相連的電路。當各種沾污溶解到溶劑中后,應當將其沖走,避免它們被再次吸收。在清洗時務必僅使用高度純凈的溶劑;較低等級的溶劑會含有各種沾污物質,從而留下具有電化學效應的薄膜。 
 
納米電測量圖2


圖2示出了這兩種誤差源所能產生的、有害電流的範圍。這些有害電流中的每一種都正好處於碳納米管FET、分子電子元器件抑或單電子晶體管的測量所需的測量範圍內。

圖2:摩擦生電和電化學效應所產生的電流都恰好處於碳納米管FET 、分子電子元器件抑或甚至單電子晶體管SET測試所需的測量範圍之內。

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納米電測量 -曲線和靈敏度/解析度的挑戰

儀器操作中繁瑣的編程 工作以及神秘的種種細節會分散工作繁重的研究者的精力。許多電特性測量工具都極為複雜,而且它們的數據傳輸機制極為冗瑣,需要大容量的存儲介質。圖形分析所花費的時間也過長。學習和編程設定的工作會佔用本來應該用於研究的時間。

儀器的用戶友好性具有重要意義,無論對研究者還是那些選取新的發現並將其轉化為實際產品的設計工程師和製造專業人員來說,都是如此。最新型的電氣測量系統應當基於PC,支持人們熟知的Windows™操作系統所特有的點-擊、剪切-粘貼和拖-放功能。這些系統功能可以縮短學習曲線,從而讓測試的建立、執行和分析在時間上更富有效率。

第三個測試方面的挑戰是靈敏度和解析度。儀器的靈敏度一般是由其最低的測量範圍除以解析度來量度的。解析度是可以觀察到的信號的最小比例。圖3所示的曲線證明了這一指標的重要意義,圖中示出了納米級金屬 -氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的柵極漏電流 的測量結果。所測量到的電流的範圍從30fA變化到約170fA。這一測量需要的電流靈敏100aA(100E-18A)。無論何種情況,所要求的靈敏度都取決於應用。 
 

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納米電測量圖3


圖3:納米MOSFET的柵極漏電流範圍是30fA至約170fA。

 

 

 

納米電測量 -屏蔽罩的作用


電纜的不當使用會造成測量時間過長的問題。共軸電纜提供了一個傳輸信號的內導體和屏蔽。內導體和屏蔽之間存在著可供漏電流流過的旁路電阻和電容通路 (圖4)。除了作為漏電流的通路之外,旁路的R和C還構成了一個RC電路,該電路將大大放慢弱電流或者高電阻測量的速度,而且要實現精確的讀數一般需要等待5倍RC的時間常數。要測量極高的電阻——G甚至更高——則需要數秒到數分鐘才能讓讀數穩定到最終值的1%以內。

我們建議採樣三軸電纜和屏蔽罩措施,以消除漏電路徑和穩定時間的問題。在圖4的第二種構型中,電纜是由一個內導體、內屏蔽和外屏蔽構成的。通過用單增益放大器來驅動電纜的內屏蔽,可以幾乎完全消除電纜電阻 (以及其他的漏電電阻)的負載效應。因為內部導體和內部屏蔽間的電壓差現在幾乎為零,所有的測試電流現在都流過內導體併流向測量儀器的輸入。流過內部屏蔽-地的漏電通路的漏電電流可能具有較大的量值,但該電流是由單增益放大器的低阻抗輸出而非電流信號源來提供的。

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納米電測量圖4


 
圖4: 在內導體和共軸電纜之間的旁路電阻和電容通路將容許流過漏電流 。此外,旁路R和旁路C構成了一個RC電路,該電路會大大減慢低電流或者高電阻的測量速度。

根據定義,屏蔽在電路中應當是一個低阻抗的點,其電位應當與高阻抗輸入端的電位近乎相等。在現代靜電計中,預放大器的輸出端應該置於這個點上,可以用於減少電纜的漏電。一個進一步的好處是等效的電纜電容也相應降低了,從而大大提升了電路的響應速度,縮短了測量時間。

納米電測量 -溫度影響


熱電壓或者EMF是低電壓測量 中最常見的誤差源。如圖5所示,當電路的不同部分處於不同的溫度時,以及由不同材料構成的導體連接到一起時,就會產生這些電壓。表中列出了各種材料相對於銅的See beck 係數。 
 

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納米電測量圖5


圖5:當電路的不同部分處於不同溫度以及由不同的材料製成的導體連接到一起時,就會產生熱電電壓。

電路中的所有導體都用同種金屬製作,就可以最大限度減少熱電EMF 的產生。例如,用卷邊銅套管或者接線片與銅線構成的連接,形成了冷焊的銅-銅結,其產生的熱電EMF極小。此外,連接點必須保持清潔而且避免氧化物的存在。例如,清潔的Cu-Cu連接的Seebeck係數為 ±0.2V/°C,而Cu-CuO的連接的這一係數高達1mV/°C。   

Paired Material Seebeck Coefficient, QAB, microvolts/°C
Cu-Cu <0.2
Cu-Au 0.3
Cu-Pb/Sn 1–3
Cu-Si 400
Cu-CuO 1000
儘可能降低電路中的溫度梯度也可以減少熱電EMF。減少這一梯度的技術是將所有的連接點間的距離儘可能縮短,並實現與公共的、大尺寸的散熱器間良好的熱耦合 。必須使用較高電導率的電絕緣材料,但由於大多數電絕緣體的導熱性不好,故必須採用特製的絕緣體,如硬質陽極化鋁、氧化鈹、特別填充的環氧樹脂、藍寶石或者金剛石,來實現各連接點到散熱器的連接。另外,讓測試設備完成暖機過程,並在恆定的環境溫度下達到熱平衡,也可以最大限度減少熱電EMF效應。有些儀器甚至提供了各種內置的測量模式,這些模式可以改變測試信號的極性以抵消熱EMF。

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納米電測量 -與DUT的電連接


為了與納米器件或者元件實現電接觸,必需提供相應的夾具、顯微鏡和探針系統 。當今的納米研究者正在使用諸如原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和聚焦離子束工具等手段來實現器件的可視化、對其執行機械測量並進行I-V特性測量 。要實現微米和納米尺度上的研發、甚至生產應用,就需要納米操縱器等工具。這些系統可以擁有多達4個的定位器,用於通過實現4軸運動來完成納米尺度樣品的抓握、移動、測試和最優定位。這就允許我們在納米級試驗時同時實現操縱、成像和電測量。

不幸的是,探針尖和探針系統也可以成為測量誤差源 ,它們可能大於電測量工具本身的誤差。測試信號的完整性取決於能否實現高質量的探針接觸,而這直接與觸點的電阻相關。隨著信號電壓的下降、接觸壓力的減少以及納米技術 所研究的器件結構的日新月異,探針的接觸電阻的影響變得越來越重要。

在使用過程中,探針會受到沾污,造成測量的誤差。探針針尖的磨損和相應在針尖處出現的沾污會造成接觸電阻的增加。要增強探針的長期性能,最佳的途徑是在測試協議中融入定期清洗的流程。雖然定期清洗可以在沾污造成較高的接觸電阻從而帶來測試產率的損失之前即可以將其消除,但對這一好處的評估也必須計及其成本。一個與清洗有關的成本要素是由於探針系統停止運行所導致的測試吞吐率的降低。另一方面,過少的清洗工作又會影響測試產率。

如下的任何一種現象都可能指示沾污問題的存在:
•探針的接觸電阻變高。
•產率的下降可以歸結為接觸電阻過高。
•重新探壓並不能改善測試失效率。
•可視的(顯微的)檢驗表明探針針尖上存在顆粒或者覆層。

往往不正確的測量結果是第一個揭示故障的線索,而且重新的探查並不能改變失效率。在顯微鏡下觀察探針針尖可以確認診斷結果。可以從探針的供應商那裡獲得關於清洗方面的建議。

納米電測量 -實例分析


¬碳納米管的特性使得它們成為一種出色的電子元件材料 。圖6示出了FET結構所使用的碳納米管 。為了發現器件的I-V特性曲線 ,建議採用有弱電流測量功能的儀器。一種可用的典型儀器是信號源-測量一體化單元(SMU),它可以輸出電壓或電流信號,並分別對電流或者電壓響應進行測量。讓一個SMU對柵電壓進行掃描,並用另一個SMU來控制源-漏電壓,則可以測量出源-漏電流。請注意待測電流大小處於nA範圍。對於大多數測量儀器而言,這往往是一個輕而易舉能實現的任務,而且雜訊也不成其為問題,但正如前面所討論的那樣,存在一個潛在的誤差源。 
 

納米電測量圖6


圖6:碳納米管的特性使得它們成為一種出色的電子元件材料,正如圖中所示的FET結構 。為了獲取器件的I-V特性曲線 ,建議採用具有低電流測量功能的儀器。

 


電子元件的自組裝代表了電子製造領域的一個新的範式,導致了分子二極體 、開關或者存儲器的研發。這些器件使用數百nA的電流,其測量是可行的,但是在某些特定情況下,待測電流處於數百pA的範圍,這就要求測量工作更為謹慎。

單電子晶體管是一種新型的開關器件,它利用受控的電子隧穿效應來放大電流。其中一個金屬電極上的電子行進到另一個電極上的唯一途徑就是通過絕緣體的隧穿電流。因為隧穿是一個分立的過程,穿過隧道結的電荷是e(單個電子的電荷)的倍數。當柵極電壓設置為零時,只會出現很小的隧穿。與隧穿相反的效應被稱為庫侖阻塞。柵電容上的電荷可以設置為電子電荷的非整數倍,因為在金屬中輸運的電荷是連續的。這種由電壓控制的電流行為使得SET的工作非常類似於一個FET,不過是在小得多的尺度上實現的。

由於SET的行為特性的緣故,而且也因為僅涉及單個電子的運動,電流的測量值很小。隨著柵電壓從至少-5mV掃描至+5mV,電流水平上出現了截然分立的步進(庫侖台階)。這些電流的測量值都處在pA的範圍上。

顯然,該應用需要對弱電流的敏感能力,而且甚至需要很低的、具有V解析度的電壓信號輸出能力。當柵壓以極低的電壓步進在一定的範圍上(很容易達到-100mV~+100mV)掃描,這一要求就意味著需要提供很大的數據存儲容量,以便能捕捉到I-V特性曲線上的多個點。20,000個點以上的存儲要求並非不可能。

納米電測量 -最優解決方案



每天,各研發實驗室都誕生各種新的思想和創新點。隨著新點子的出現,人們也需要各種新的、不同的測量手段。例如,研究者們感興趣的是,如何在測量材料的力學特性的同時還可以相應觀察其電特性。人們仍然需要可視化手段,以便觀察在原子水平上正在發生什麼現象。在分子和原子水平上,某些現象的發生速度常常過快。為了測定這些時間,就必需提升現有測量方法的速度,並降低其雜訊。若施加過大的電流,就容易破壞納米和分子電子器件。儀器必需能夠限制功率的大小,以便將焦耳發熱效應保持在最低水平上。另外,在輸出電壓信號 以測量器件時,解析度低至1V的電壓步進輸出將具有重要價值,只有這樣才能讓研究者能清晰地看到在一個很小的步進變化過程中發生的現象。

按如下所示的四個步驟可以實現出色的納米測量,從而增強人們對測試結果的信心。
•確定測量質量。理解所需要的靈敏度、解析度和精度指標。
•設計測量系統。選擇恰當的工具、電流、探針系統和夾具。
•建造系統並檢驗其性能。理解你所處的環境中的潛在誤差源,或者消除這些誤差。清楚系統能做什麼測量。
•開始進行測量


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