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，測試中應當注意什么，這些問題都需要重點關注。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）、萬用表、精密電源、微小信號測試以及數據采集產品，同泰克公司原有的產品線一同為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】系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】系列之一： 納米測試（下）。

納米材料電學測試方案將在本文中闡述，包括《納米線/碳納米管測試方案》、《二維/石墨烯材料測試方案》。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 幾乎適用于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。

納米線/碳納米管及電子器件測試

納米線（Nano Wire）為一種橫向上被限制在100納米以下（縱向沒有限制）的一維材料。根據組成材料的不同，納米線可分金屬納米線，半導體納米線和絕緣體納米線。作為納米材料的一種，納米線具備上文概述的納米材料全部特性，在電子，光電子和納電子機械器械中，納米線起到很重要的作用。它同時還可以作為合成物中的添加物、量子器械中的連線、場發射器和生物分子納米感應器等。

I-V 測試是納米線/碳納米管最基本的電性能測試，SMU 是基本測試儀器，不同種類的碳納米管需不同的SMU 進行測試，SMU選擇依據為：

•   被測樣品所需SMU 通道數
•   被測樣品是否有脈沖測試需求
•   被測樣品是否有電容測試需求
•   被測樣品電阻范圍，施加或測試的電流范圍以及施加或測試的電壓范圍

納米線/碳納米管及其電子器件綜合測試方案

•   4200A-SCS 主機
•   4200 SMU 模塊，模塊數量由通道數決定
•   4200 PA，選件，依據最小測試電流定，數量與SMU模塊匹配
•   4225 PMU，選件，依據脈沖需求定，模塊數由通道數定，是否加放大器由最小測試電流定
•   4210 CVU，選件，有電容特性測試需求時配置
•   納米探針臺（第三方）
•   軟件：Clarius

方案優勢：

•   測試范圍寬，滿足全部種類納米線/碳納米管及其電子器件測試需求
•   多種配置滿足不同的應用需求
•   內置多種納米線/碳納米管器件庫，調用后自動生成相應器件的測試流程

二維/石墨烯材料及電子器件測試

所謂二維材料 （Two dimensional material ），指的是電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，屬于納米材料的范疇，包含具有超導、金屬性、半金屬、拓撲絕緣體、半導體、絕緣體的材料。二維材料最為典型的代表是石墨烯，石墨烯是由碳原子組成的二維結構，由于在電學/熱學/光學等方面的優良特性，被廣泛研究并使用在這個領域。在半導體特性上，石墨烯具有優良的導電特性及易摻雜改性的特性，因此被用來制作為各種半導體器件，如零帶隙、頂柵石墨烯場效應管，雙層石墨烯晶體管，雙極超導石墨烯晶體管，石墨烯納米帶場效應管等。在應用上可作為穿戴設備，傳感器，充電設備等。

對二維/石墨烯材料，通常使用四探針法或范德堡法測試電阻率，用霍爾效應測測試載流子遷移率及載流子濃度。

二維/石墨烯材料及電子器件電性能測試挑戰

•   二維/石墨烯材料屬于納米材料范疇，上文中討論的測試挑戰對二維/石墨烯材料都適用。
•   電阻率及霍爾效應測試均是加流測壓的過程，需要設備能輸出電流并且測試電壓，這意味著同時需要電流源和電壓表，并且電流源和電壓表精度要高，保證測試的準確性。
•   電阻率及電子遷移率通常范圍較大，需要電流電壓范圍都很大的設備。
•   需與探針臺配合，測試設備需方便連接，需易用的軟件
•   霍爾效應測試時，通常要準備霍爾條（Hall Bar）

高性價比測試方案1：

•   6221高精度脈沖電流源
•   2182 納伏表
•   7168 開關卡
•   探針臺（第三方）
•   軟件：自行開發

方案優勢

•   性價比高
•   具有脈沖電流
•   Delta 模式
•   被測樣品電阻適用范圍廣（uΩ~ TΩ）
•   納伏開關卡不影響測試精度

高性能測試方案2：

•   4200A-SCS + 4200 SMU X 3 或4
•   4200 PA X 3 或4
•   測試臺(第三方)
•   軟件：Clarius

方案優勢：

•   SMU模塊集電壓源/電壓表/電流源/電流表于一體，集成度高，方便使用
•   SMU均配有開爾文接口，在測試小電阻時可有效消除線纜電阻的影響
•   電流輸出精度40fA；電流測試精度10fA；電壓測試精度80µV；
•   帶有pulse工作模式，使用pulse測試可以消除自加熱效應 （需增加4225 PMU 硬件）
•   Clarius 軟件可調用內置Project，不僅適用于針對二維/石墨烯材料的四探針，范德堡，霍爾效應測試，也適用于二維/石墨烯電子器件I-V C-V 特性測試（C-V 特性測試時需添加4210 CVU 硬件）
•   開放設備底層指令，附帶編譯軟件，支持自編程

納米發電測試方案

納米發電機是基于規則的氧化鋅納米線，在納米范圍內將機械能轉化成電能，是世界上最小的發電機。目前納米發電機可以分為三類：壓電納米發電機、摩擦納米發電機、熱釋電納米發電機。

納米發電面臨的測試挑戰

1.  發電機產生的電流小
2.  發電機的內阻大，開路電壓測不準
3.  信號變化快，很難采集電壓或者電流峰值

泰克納米發電測試方案

采用高內阻的靜電計6517+數據采集儀DMM6500+納米發電采集軟件來進行微小納米發電電流數據采集。由于現在納米發電機中有一部分已經轉向實際應用研究，其中之一就有壓力傳感方向，而矩陣式壓力傳感器的測試是很多老師和同學比較頭疼的一個問題，為了解決這類問題，根據要求搭建了一個測試方案如下：

方案優勢:

•   納米發電研究領域推薦測試方案
•   優異的小心測試能力
•   定制化軟件，更快，更簡單，更專業
•   可升級，滿足研究將來的測試需求

了解當代材料電學測試更多詳細內容，https://www.tek.com.cn/application/material-science。

關于泰克科技

泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市，致力提供創新、精確、操作簡便的測試、測量和監測解決方案，解決各種問題，釋放洞察力，推動創新能力。70多年來，泰克一直走在數字時代前沿。歡迎加入我們的創新之旅，敬請登錄：tek.com.cn