前言：材料性質(zhì)的研究是當(dāng)代材料科學(xué)的重要一環(huán)，所謂材料的性質(zhì)是指對(duì)材料功能特性和效用的定量度量和描述，即材料對(duì)電、磁、光、熱、機(jī)械載荷的反應(yīng)。源表SMU 在當(dāng)代材料科學(xué)研究中，起到舉足輕重的作用，選擇適合某類材料電性能測(cè)試的SMU，如何降低測(cè)試誤差，測(cè)試中應(yīng)當(dāng)注意什么，這些問題都需要重點(diǎn)關(guān)注。泰克吉時(shí)利的品牌在全球許多學(xué)科工程師和科學(xué)家中享有盛譽(yù)，其高精度源表（SMU）、萬用表、精密電源、微小信號(hào)測(cè)試以及數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，同泰克公司原有的產(chǎn)品線一同為當(dāng)代材料科學(xué)研究提供多種測(cè)試方案。

【當(dāng)代材料電學(xué)測(cè)試課堂】系列涉及當(dāng)代材料科學(xué)尖端的電運(yùn)輸及量子材料/超導(dǎo)材料測(cè)試、一維/碳納米管材料測(cè)試、二維材料及石墨烯測(cè)試及納米材料的應(yīng)用測(cè)試。今天跟您分享第一篇，【當(dāng)代材料電學(xué)測(cè)試課堂】系列之一： 納米測(cè)試（上）。

納米材料指的是三維空間尺度至少有一維處于納米量級(jí)（1-100nm）的材料，是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系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(jìn)行分類，按結(jié)構(gòu)可以分為：零維材料 – 量子點(diǎn)，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(cè)量 - 納米固體材料。按組成可以分為：金屬納米材料，半導(dǎo)體納米材料，有機(jī)高分子納米材料，復(fù)合納米材料。下圖是將納米材料按其物理性質(zhì)進(jìn)行分類并列出納米材料應(yīng)用的示意圖，由此可見，納米材料已經(jīng)在多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

納米材料的特性與電子器件

由于納米材料的某一維或多維尺寸為納米量級(jí)，使得其具有許多異于宏尺寸材料的特性。納米材料的基本特性包括：表面與界面效應(yīng)，如熔點(diǎn)降低比熱增大；小尺寸效應(yīng)，如導(dǎo)體變得不能導(dǎo)電；絕緣體卻開始導(dǎo)電以及超硬特性；量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料的理化性能為：高強(qiáng)度、高韌性；高比熱和熱膨脹系數(shù)；異常電導(dǎo)率和擴(kuò)散率；高磁化率。

基于以上特性，納米材料被廣泛用于制作納米電子器件。納米電子器件指的是利用納米級(jí)加工和制備技術(shù)，設(shè)計(jì)制備而成的具有納米級(jí)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，如絕緣層上硅MOSFET、硅一鍺異質(zhì)MOSFET、低溫MOSFET、雙極MOSFE T、本征硅溝道隧道型MOSFET等；量子效應(yīng)器件；量子干涉器件、量子點(diǎn)器件；諧振隧道器件如橫向諧振遂道器件、諧振隧道晶體管， 諧振隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ RTEET）、雙極量子諧振隧道晶體管、諧振隧道熱電子晶體管等；縱向諧振隧道器件如隧道勢(shì)壘調(diào)制晶體管等；單電子器件如單電子箱、電容禍合和電阻禍合單電子晶體管、單電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)晶體管、單電子結(jié)陣列、單電子泵浦、單電子陷阱和單電子旋轉(zhuǎn)門等；單原子器件和單分子器件如單電子開關(guān)、單原子點(diǎn)接觸器件、單分子開關(guān)、分子線、量子效應(yīng)分子電子器件、電化學(xué)分子電子器件等。

納米材料電學(xué)性能測(cè)試

納米材料的表征包括成分分析，顆粒分析，結(jié)構(gòu)分析，性能分析，分析方法以電鏡分析為主，特別是掃描隧道電鏡（SMT），在導(dǎo)體和半導(dǎo)體納米材料分析上具有優(yōu)勢(shì)。

納米材料的電學(xué)性能測(cè)試是對(duì)其態(tài)密度（Density of State）進(jìn)行分析。所謂態(tài)密度指的是單位能量范圍內(nèi)所允許的電子數(shù)，也就是說電子在某一能量范圍的分布情況。態(tài)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(jìn)行態(tài)密度測(cè)試的常規(guī)方法，但通過對(duì)納米材料電性能直接測(cè)試，也可以推到出態(tài)密度。用掃描隧道電鏡測(cè)試用微分電導(dǎo)（di/dv）隨電壓的曲線即可推到出態(tài)密度。這種方法利用低電平 AC 信號(hào)調(diào)制于靜態(tài)電流進(jìn)行測(cè)試，電鏡電極與被測(cè)樣品間為高阻接觸。

由于X 射線光譜和掃描隧道電鏡都是昂貴的設(shè)備，如果不是制備并表征納米材料，僅僅是對(duì)納米材料進(jìn)行應(yīng)用性研究，源表（SMU） + 納米探針臺(tái)不失為一種高性價(jià)比的替代方案。與掃描隧道電鏡法不同，納米探針臺(tái)和被測(cè)樣品間為低阻接觸，這就要求SMU必須具備低電平測(cè)試能力，并根據(jù)被測(cè)樣品的阻抗改變SMU工作模式。這種方法主要測(cè)試被測(cè)樣品的電阻，電阻率及霍爾效應(yīng)，更適合納米電子器件的測(cè)試。

二維納米材料電阻率測(cè)試

對(duì)二維納米材料（如石墨烯），電阻率測(cè)試是重要的測(cè)試項(xiàng)目，測(cè)試方法主要為四探針法（The Four-Point Collinear Probe Method）與范德堡法（The van der Pauw method）。

二維納米材料霍爾效應(yīng)測(cè)試

當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過半導(dǎo)體時(shí)，載流子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，垂直于電流和磁場(chǎng)的方向會(huì)產(chǎn)生一附加電場(chǎng)，從而在半導(dǎo)體的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，這個(gè)電勢(shì)差也被稱為霍爾電勢(shì)差。通過對(duì)電勢(shì)差測(cè)試，可以得到被測(cè)材料的載流子濃度與載流子遷移率等參數(shù)。二維納米材料霍爾效應(yīng)測(cè)試，依然用范德堡法，但電極接線與范德堡法測(cè)試電阻率有所不同，并且在測(cè)試霍效應(yīng)時(shí)，通常要加磁場(chǎng)。

納米材料及電子器件電學(xué)測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)

·納米級(jí)尺寸，性能異于宏尺寸材料與器件

·狀態(tài)變化快，對(duì)測(cè)試儀器響應(yīng)速度有要求

·需配合納米探針臺(tái)

·必須防自熱，否則極易燒毀被測(cè)樣品，需選擇帶有脈沖模式的 SMU

·納米材料承受及測(cè)試電流超?。ㄟ_(dá) fA 級(jí)），承受及測(cè)試電壓超低（達(dá) nV 級(jí)），不同種類的材料，電阻范圍超寬，從uΩ~TΩ，需選擇與被測(cè)納米材料和器件電性能相適應(yīng)的 SMU，需多種降低誤差與噪聲的手段，如加流測(cè)壓或加壓測(cè)流，四線法連接，屏蔽與濾波，降低熱噪聲等。

有關(guān)納米材料電學(xué)測(cè)試方案將分別在《納米線/碳納米管測(cè)試方案》及《二維/石墨烯材料測(cè)試方案》中詳述。納米材料電學(xué)測(cè)試SMU 應(yīng)用場(chǎng)景、測(cè)試特點(diǎn)及選型原則的示意圖，結(jié)合被測(cè)納米材料或納米電子器件的類型及測(cè)試要點(diǎn)，選擇最適合的SMU。4200 – SCS 幾乎適用于全部種類的納米材料的測(cè)試，當(dāng)然，某些特殊的源表更適合一些特殊的應(yīng)用。