【測(cè)試案例分享】Keithley電化學(xué)測(cè)試方法與應(yīng)用

Keithley是先進(jìn)電子測(cè)試儀器的全球領(lǐng)導(dǎo)者，擁有60多年的測(cè)量專業(yè)知識(shí)。我們的客戶是廣大研究和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師，這些領(lǐng)域中包括了許多電化學(xué)測(cè)試。Keithley的產(chǎn)品可以準(zhǔn)確地進(jìn)行電流和電壓的測(cè)量。Keithley測(cè)試設(shè)備支持的電化學(xué)學(xué)科測(cè)試包括電池和儲(chǔ)能、腐蝕科學(xué)、電化學(xué)沉積、有機(jī)電子學(xué)、光電化學(xué)、材料研究、傳感器以及半導(dǎo)體材料和器件。表1列出了一些采用Keithley產(chǎn)品的測(cè)試方法和應(yīng)用。

表1 - 電化學(xué)測(cè)試方法及應(yīng)用

循環(huán)伏安法

循環(huán)伏安法（簡(jiǎn)稱CV）是一種電位掃描法，是最常用的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，通常使用3電極的蓄電池。圖1展示了一個(gè)典型的電化學(xué)測(cè)量電路，它由蓄電池、可調(diào)電壓源（VS）、電流表（AM）和電壓表（VM）組成。蓄電池的三個(gè)電極分別是工作電極（WE）、參比電極（RE）和對(duì)電極（CE）。用于電位掃描的電壓源（VS）在WE和CE之間施加。用電壓表測(cè)量RE和WE之間的電位（E），并調(diào)整總電壓（VS）以保持WE相對(duì)于RE的所需電位。用電流表（AM）測(cè)量流入或流出WE的所得電流（i）。

圖1 - 循環(huán)伏安法測(cè)試的簡(jiǎn)化電路

Keithley SMU源表可以輸出電壓和測(cè)量電流，這使得它們非常適合循環(huán)伏安法應(yīng)用。圖2說(shuō)明了儀器的四個(gè)端子如何連接到3電極電化學(xué)電池。

圖2 - 源表連接蓄電池進(jìn)行循環(huán)伏安法測(cè)試

當(dāng)編程控制SMU在源電壓使用感測(cè)（4線）配置時(shí)，內(nèi)部傳感提供電壓測(cè)試的反饋值并與編程設(shè)置的電壓大小進(jìn)行比較。SMU調(diào)整電壓源，直到反饋電壓等于編程電壓。遙感補(bǔ)償了測(cè)試引線和分析物電路中的壓降，確保將設(shè)置電壓加載到工作電極上。

2450-EC、2460-EC和2461-EC電化學(xué)源表具有內(nèi)置顯示屏，可以使用其循環(huán)伏安法測(cè)試腳本自動(dòng)繪制伏安圖。圖3顯示了該儀器生成的伏安圖形。2450、2460和2461儀器包括一個(gè)測(cè)試腳本，可以在沒(méi)有計(jì)算機(jī)的情況下執(zhí)行循環(huán)伏安法。

圖3 - 在2450上生成的伏安圖形

2450-EC、2460-EC和2461-EC電化學(xué)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中還包含其他電化學(xué)測(cè)試腳本：開路電壓，加載電壓脈沖或方波與電流測(cè)量，電流脈沖或方波與電壓測(cè)量，電流隨時(shí)間變化和電壓隨時(shí)間變化。這些設(shè)備還包括一個(gè)帶鱷魚夾的測(cè)試電纜，使用戶能夠輕松連接儀器和被測(cè)物。

開路電壓

電化學(xué)電池的開路電位（OCP）是在參考電極和工作電極之間進(jìn)行的電壓測(cè)量。測(cè)量開路電位需要一個(gè)高阻抗的電壓表來(lái)測(cè)量沒(méi)有電流或電壓施加到電池上的電壓。由于其高輸入阻抗，SourceMeter SMU儀器在配置為4線制配置時(shí)非常適合OCP測(cè)量，如圖4所示。在此設(shè)置中，該儀器配置為測(cè)量電壓和源0A。如果在進(jìn)行循環(huán)伏安法之前測(cè)量OCP，則不需要在測(cè)量之間手動(dòng)重新排列任何測(cè)試引線，因?yàn)閮x器可以在內(nèi)部自動(dòng)改變功能。2450-EC、2460-EC和2461-EC帶有執(zhí)行開路電位測(cè)量的測(cè)試腳本。

圖4 - 使用電化學(xué)系統(tǒng)測(cè)量蓄電池的開路電壓

電阻率

電阻率是材料的一種基本特性，它量化了材料與電流的對(duì)抗。確定材料電阻率的最佳技術(shù)取決于所涉及材料的類型、電阻的大小和樣品的幾何形狀。

導(dǎo)體/半導(dǎo)體 — 加電流測(cè)電壓

導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻率通常是4線配置，輸入電流和測(cè)量樣品的電壓來(lái)確定的。4線配置最大限度地減少引線和接觸電阻，以減少它們對(duì)測(cè)量精度的影響。在這種配置中（圖5），兩根引線用于產(chǎn)生電流，另一組引線用于測(cè)量導(dǎo)電樣品上的壓降。樣品上的壓降會(huì)非常小，因此使用Keithley 2182A納伏表進(jìn)行測(cè)量。

圖5 - 使用電流源和納伏表測(cè)量導(dǎo)電樣品

絕緣體 — 加電壓測(cè)電流

絕緣體的電阻率通常是通過(guò)對(duì)未知電阻施加電壓并測(cè)量產(chǎn)生的泄漏電流來(lái)測(cè)量的。這是一個(gè)雙端測(cè)試。體電阻率是直接測(cè)量通過(guò)材料的泄漏電流。表面電阻率被定義為絕緣體表面的電阻。圖6顯示了體積電阻率和表面電阻率的電路圖。

圖6 - 體電阻率和表面電阻率測(cè)量圖

這些高電阻測(cè)量需要一種可以測(cè)量到非常低電流并且可以施加電壓的儀器。6517B和6487都能夠測(cè)量高阻材料的電阻率。這些儀器可以測(cè)量低至數(shù)十或數(shù)百fA的電流，并具備內(nèi)置電壓源。需要注意的是在測(cè)量非常高的電阻時(shí)，必須正確屏蔽設(shè)備和測(cè)試電纜，以避免靜電干擾的影響。

電壓測(cè)定

電壓/電位測(cè)定是測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的電位，通常是工作電極和參比電極。電位差是用高阻抗電壓表或靜電計(jì)測(cè)量的，因此任何電流都可以忽略不計(jì)（i=0）。電位測(cè)定法用于諸如使用離子選擇電極進(jìn)行的pH測(cè)量和電壓測(cè)量等應(yīng)用。這些電位測(cè)量通常使用兩個(gè)電極和一個(gè)高阻抗電壓表進(jìn)行，例如6517B或6514靜電計(jì)（圖7）。

圖7 - 靜電計(jì)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的電位差

電化學(xué)傳感器

電化學(xué)傳感器用于不同行業(yè)的許多應(yīng)用，包括環(huán)境和氣體監(jiān)測(cè)，醫(yī)療應(yīng)用，如測(cè)定葡萄糖濃度，以及汽車和農(nóng)業(yè)行業(yè)。電化學(xué)傳感器有各種不同的設(shè)計(jì)；它們可能有兩個(gè)或三個(gè)電極，可以是電位計(jì)、安培計(jì)或伏安計(jì)。有些傳感器是基于有機(jī)電子器件或納米結(jié)構(gòu)的。

選擇最優(yōu)的測(cè)試設(shè)備對(duì)于電化學(xué)傳感器的研發(fā)至關(guān)重要。例如，測(cè)量電位傳感器的輸出可能需要非常高阻抗的電壓表，例如具有高輸入阻抗（>1014歐姆）的Keithley靜電計(jì)。測(cè)試安培式氣體傳感器可能需要使用非常靈敏的安培計(jì)，如皮安計(jì)、靜電計(jì)或源表。

圖8顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的安培氣體傳感器。當(dāng)氣體與工作電極（WE）接觸時(shí)，根據(jù)傳感器的不同，會(huì)發(fā)生氧化或還原的化學(xué)反應(yīng)。在安培傳感器中，電流在對(duì)電極（CE）和工作電極（WE）之間流動(dòng)。電流輸出與氣體濃度有關(guān)，由靈敏的安培計(jì)測(cè)量。如有必要，可在傳感器上加第三個(gè)電極，即參比電極，施加電勢(shì)。

圖8 - SourceMeter SMU儀器測(cè)量2電極安培氣體傳感器的電流輸出

太陽(yáng)能電池

為了滿足人們對(duì)清潔能源日益增長(zhǎng)的需求，光伏研究人員正在努力提高電池效率，降低成本。新興技術(shù)包括染料敏化/燃料感光、仿生、鈣鈦礦，甚至3D太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池的電學(xué)表征對(duì)于確定如何使電池，在盡可能小的損耗下盡可能提高效率至關(guān)重要。

通常在太陽(yáng)能電池上進(jìn)行的一些電學(xué)測(cè)試包括測(cè)量電流和電容作為施加直流電壓的函數(shù)。電容測(cè)量是作為頻率或交流電壓的函數(shù)進(jìn)行的。有些測(cè)試需要脈沖電流 - 電壓測(cè)量。這些測(cè)量通常在不同的光強(qiáng)和溫度下進(jìn)行。從這些測(cè)量中可以提取出重要的器件參數(shù)，包括輸出電流、轉(zhuǎn)換效率、最大功率輸出、摻雜密度、電阻率等。圖9顯示了從太陽(yáng)能電池上典型的正向偏置I-V曲線中可以提取的幾個(gè)參數(shù)，包括最大電流（Imax）、短路電流（Isc）、最大功率（Pmax）、最大電壓（Vmax）和開路電壓（Voc）。

圖9 - 光伏電池典型的正向偏置I-V曲線

像4200A-SCS參數(shù)分析儀這樣的儀器可以在進(jìn)行這些關(guān)鍵的電氣測(cè)量時(shí)簡(jiǎn)化測(cè)試和分析。4200A-SCS是一個(gè)集成系統(tǒng)，包括用于進(jìn)行直流和超快速I-V和C-V測(cè)量的儀器，以及控制軟件，圖形和數(shù)學(xué)分析能力。4200A-SCS可以進(jìn)行廣泛的太陽(yáng)能電池測(cè)量，包括直流和脈沖電流電壓、電容電壓、電容頻率、驅(qū)動(dòng)級(jí)電容分析（DLCP）和四探針電阻率。圖10顯示了4200-SMU連接太陽(yáng)能電池進(jìn)行I-V測(cè)量。四線制連接消除了測(cè)量電路的引線電阻。一旦電池連接到輸出端子，4200A-SCS的軟件可以輕松設(shè)置電壓掃描，自動(dòng)生成I-V曲線，如圖11所示光伏電池的正向偏置I-V曲線。

圖10 - 4200-SMU與光伏電池連接示意圖

圖11 - 4200A-SCS參數(shù)分析儀測(cè)量的太陽(yáng)能電池正偏I(xiàn)-V特性

可充電電池充電/放電

Keithley源表可以簡(jiǎn)化電池測(cè)試，因?yàn)樗鼈兡軌蛲瑫r(shí)加載和測(cè)量電流電壓。源表可以靈活的設(shè)置輸出源和吸收電流，以及測(cè)量相應(yīng)的電壓和電流，使其成為電池充放電循環(huán)測(cè)試的完美解決方案。對(duì)于此測(cè)試，源表通過(guò)4線連接連接到電池（圖12），以消除引線電阻的影響。

圖12 - 源表2460測(cè)試電池充放電連接圖

對(duì)于充電和放電周期，該儀器配置為加載電壓和測(cè)量電流。即使儀器配置為電壓源，它也將在恒流模式下工作。圖13顯示了充電和放電循環(huán)的簡(jiǎn)化電路圖。

圖13 - 充放電電路圖

電池通常是使用恒流充電，因此我們將源表配置為電壓源設(shè)置為電池的額定電壓，并將源限制設(shè)置為所需的充電電流。在測(cè)試開始時(shí)，電池電壓小于儀器的電壓輸出設(shè)置。這個(gè)電壓差驅(qū)動(dòng)一個(gè)電流，該電流立即被限制在用戶定義的電流限值內(nèi)。當(dāng)處于電流限制時(shí)，儀器作為恒流源工作，直到達(dá)到我們?cè)O(shè)定的電壓水平。

當(dāng)電池放電時(shí)，源表將作為接收器來(lái)使用，因?yàn)樗呛纳⒐β识皇禽斎牍β?。儀器電壓源設(shè)置為低于電池電壓的電平，電流限制設(shè)置放電速率。當(dāng)使能輸出時(shí)，來(lái)自電池的電流流入儀器的Hi端子。因此，電流讀數(shù)將為負(fù)。圖14所示為測(cè)量2500mAh電池放電特性的結(jié)果。

圖14 - 使用源表測(cè)試2500mAh D芯電池放電特性

電氣器件特性

源表和4200A-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀是電氣設(shè)備表征的理想選擇，因?yàn)樗鼈兛梢援a(chǎn)生和測(cè)量電流和電壓。4200A-SCS除了包含多個(gè)SMU外，還可以包括電容電壓?jiǎn)卧狢VU或脈沖測(cè)量單元PMU?？梢员碚鞯慕M件可以包括碳納米結(jié)構(gòu)和器件、傳感器、太陽(yáng)能電池、有機(jī)半導(dǎo)體器件和其他結(jié)構(gòu)。

特定應(yīng)用所需的源表數(shù)量取決于設(shè)備上的終端數(shù)量和所需的測(cè)試應(yīng)用。在圖15所示的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管（OFET）示例中，需要兩臺(tái)SMU儀器來(lái)表征器件。在這種情況下，SMU1連接到柵極終端，SMU2連接到器件的漏極終端。OFET的Source端接到common。OFET的傳輸特性是通過(guò)使用SMU1步進(jìn)柵極電壓和使用SMU2掃過(guò)漏極電壓并測(cè)量漏極電流來(lái)確定的。

圖15 - 使用4200A-SCS表征OFET I-V特性

4200A-SCS參數(shù)分析儀測(cè)量并繪制的OFET傳輸特性如圖16所示。

圖16 - 4200A-SCS參數(shù)分析儀測(cè)量的OFET傳輸特性（注：OFET由肯特州立大學(xué)提供）

4200A-SCS半導(dǎo)體參數(shù)分析儀為電氣表征器件提供了許多優(yōu)點(diǎn)。這種可配置的測(cè)試系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化敏感的電氣測(cè)量，因?yàn)樗鼘⒍鄠€(gè)儀器集成到一個(gè)系統(tǒng)中，包括交互式軟件、圖形和分析功能。

電鍍/電沉積

電鍍是將金屬薄膜涂在導(dǎo)電表面上的過(guò)程。該工藝有許多應(yīng)用，包括裝飾涂層、防腐，甚至納米線和納米結(jié)構(gòu)制造。傳統(tǒng)上，該工藝涉及連接兩個(gè)電極（陽(yáng)極和陰極）之間的電流源。電流驅(qū)動(dòng)金屬離子從陽(yáng)極流向陰極，如圖17所示。在這個(gè)簡(jiǎn)單的例子中，6220電流源使陽(yáng)極的Ag+離子被吸引到陰極。

電沉積可能需要使用恒定的直流電流或電壓，或者可能需要脈沖或階梯信號(hào)去控制沉積時(shí)間。除了提供電流或電壓外，特定應(yīng)用可能還需要監(jiān)測(cè)電流或電壓。2400系列或2600B系列源表可以自動(dòng)控制源的參數(shù)，以及監(jiān)控電路中產(chǎn)生的電流或電壓。四線制控制從儀器到電極的兩端可以用來(lái)消除引線電阻的影響。

圖17 - 采用恒流源進(jìn)行電鍍的電路

小結(jié)

Keithley生產(chǎn)適用于各種電化學(xué)應(yīng)用的靈敏設(shè)備，包括I-V特性測(cè)試，低電阻率和高電阻率測(cè)量、電池測(cè)試、電位測(cè)定法、電沉積、電氣器件特性以及其他涉及加載和測(cè)量電流和電壓以及高精度測(cè)量電容的測(cè)試。Keithley儀器可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，多臺(tái)同步和定時(shí)控制。了解Keithley產(chǎn)品對(duì)電化學(xué)測(cè)試方法和應(yīng)用，請(qǐng)登錄：https://www.tek.com.cn/products/keithley/battery-test-and-simulation。

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