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一文全解！纳米材料电学性能表征技术及测试方案

来源：武汉普赛斯仪表有限公司分类：标准 2024-03-05 08:15:03 102阅读次数

前言

Introduction

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由该尺度范围作为基本结构单元构成的材料，由于其本身特有的不同于一般体材料和单个分子的特殊性质，包括体积效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等，所展现出巨大的应用前景成为人们关注的一个焦点，科学家们常常把这一类新型材料誉为“21世纪最有潜力的材料”。

/纳米材料电学性能的表征和分析/

与传统的材料相比，纳米材料具有原子级厚度、表面平整无悬空键、载流子迁移率好等优点，其导电性能很大程度依赖于材料本身的带隙、掺杂浓度和载流子迁移率。同样的掺杂浓度下，迁移率越大，电阻率越小，导电率就越高。在纳米材料/器件电学性能的表征和分析中，通常采用霍尔效应及电阻率测试法。

霍尔效应测试

当电流垂直于外磁场通过纳米材料时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生附加电场，从而在半导体两端产生电势差，这一现象称为霍尔效应。霍尔效应测试常用的测试方法是范德堡法，并在测试时外加磁场。

图：霍尔效应测试系统架构

电阻率测试

二维纳米材料（如石墨烯）电阻率测试是重要的测试项目，测试方法主要为四探针法与范德堡法。

对于规则圆形的材料样品，电阻率测试比较方便的方法是四探针法，四探针法优势在于分离电流和电压电极，消除布线及探针接触电阻的阻抗影响。范德堡法为更通用的四探针测量技术，对样品形状没有要求，且不需要测量样品所有尺寸。

图：四探针法测试系统架构

图：范德堡法测试系统架构

此外，由于纳米材料具有独特的物理、化学和生物学性质，在制备过程中纳米粒子的大小、形状和结构很难控制，且纳米材料的性质受表面效应、尺寸效应和缺陷效应等因素的影响，使其制备和性质研究面临巨大挑战。

Science Technology

/纳米材料高温原位表征技术/

原位表征技术的发展促进了科研人员对纳米材料的认识，使得纳米材料的性能研究实现飞跃性突破。其中原位透射电子显微分析法(TEM)是实时监控与记录位于电镜内的试样对不同外界激励信号的动态响应的一种手段，有助于加速纳米材料的开发和应用。

高温原位表征系统基于高精度数字源表，控制MEMS芯片在原位样品台内对样品构建精细热场自动调控及反馈测量系统，并结合透射电子显微镜（TEM）研究材料在不同热场条件下发生结构相变、形貌变化、物性变化以及电性变化等关键信息，是纳米材料结构表征科学最新颖、最有发展空间的表征技术之一。

图：原位TEM电性能表征

注：图片来源于“Phase and polarization modulation in two-dimensional In2Se3 via in situ transmission electron microscopy”

/纳米材料的典型应用及电性能

测试方案/

目前，纳米材料的应用主要集中在电子信息、生物材料、能源等领域，其中在新型电子器件的设计和制造上取得很大突破，如纳米晶体管、纳米传感器、纳米光电子器件等。通过在纳米尺度上控制和操纵电子器件和材料的性质，使得器件具有更小的尺寸、更低的功耗以及更快的响应速度，未来在电子信息及其他科技领域上将会衍生更大的价值。因此，针对纳米材料的不同应用，采用有效的技术方法和手段对纳米材料/器件的性能进行深入研究至关重要。

纳米电极材料应用及测试表征

碳纳米管具有优异的机械性能和电化学性能，一直在各领域备受关注。在锂电池的应用中，碳纳米管作为电极时，其独特的网络结构不仅能够有效地连接更多的活性物质，出色的电导率也可以大幅降低阻抗。电导率及循环伏安法是表征电极材料电性能的重要手段，循环伏安法测试过程中，使用较多的是三电极系统和两电极体系。

图：循环伏安法测试系统架构

图：循环伏安法测试曲线

双极板（BPP）材料应用及测试表征

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种使用氢气和氧气作为燃料的电池，通过化学反应生成水，并产生电能。双极板（Bipolar plate，以下简称BP）是燃料电池的一种核心零部件，主要作用为支撑MEA，提供氢气、氧气和冷却液流体通道并分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量，常见的材料有石墨、复合材料和金属。作为核心部件，体电阻率测试是双极板材料性能的重要表征技术之一。

图：体电阻率测试系统架构

纳米压敏陶瓷材料应用及电性能测试表征

压敏电阻又称变阻器、变阻体或突波吸收器，其电阻会随外部电压而改变，因此它的电流-电压特性曲线具有显著的非线性：

- 在阈值电压以下，压敏电阻的阻值很高，相当于开路；

- 超过阈值电压后，压敏电阻的阻值大大降低，吸收瞬间的能量。

压敏电阻的电学特性主要包括压敏电压、漏电流、封装耐压、响应度等方面。由于器件本身耐压高，测试需要高压，同时需要nA级小电流测量能力，推荐使用普赛斯P系列脉冲源表或E系列高电压源测单元，P系列脉冲源表具备300V高压，小电流低至1pA；E系列高压源测单元最大电压高达3500V、最小电流低至1nA。

图：P系列高精度台式脉冲源表

图：E系列高电压源测单元

纳米发电材料应用及测试表征

纳米发电机是基于规则的氧化纳米线，在纳米范围内将机械能、热能等转化为电能，是世界上最小的发电机。目前主要包括：摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、热释电纳米发电机、静电纳米发电机以及温差发电机等。

由于纳米发电自身的技术原因，在测试时具有电流信号微弱（低至μA甚至nA级）；内阻大，开路电压很难测准；信号变化快，难以捕获电压或电流峰值等特点。推荐使用普赛斯S系列直流源表、P系列脉冲源表或CS系列插卡式多通道源表，搭配上位机软件，可实现纳米发电材料输出电压以及输出电流随时间变化的曲线：V-t、I-t等，适用于摩擦发电、水伏发电、温差发电等纳米发电研究领域。

图：纳米水伏发电测试系统架构

图：纳米温差发电测试系统架构

有机场效应晶体管应用及测试表征

有机场效应晶体管（OFET）是一种利用有机半导体组成的场效应晶体管。一般由栅极、绝缘层、有机有源层、源/漏电极构成。主要性能指标有迁移率、开关电流比、阈值电压三个参数，通常用输出特性曲线和转移特性曲线来表征。推荐使用普赛斯SPA6100半导体参数分析仪来进行I-V测试以及C-V测试，可以用来获取器件的输出转移特性、栅极漏电流、漏源击穿电压等参数；C-V测试可以确定二氧化硅层厚度dox、衬底掺杂浓度N以及固定电荷面密度Qfc等参数。