能同時(shí)測量納米器件機(jī)械電子和電氣特性的測試系統(tǒng)

研究納米級材料的電氣特性通常要綜合使用探測和顯微技術(shù)對感興趣的點(diǎn)進(jìn)行確定性測量。但是，必須考慮的一個(gè)額外因素是施加的探針壓力對測試結(jié)果的影響，因?yàn)楹芏嗖牧暇哂袎毫ο嚓P(guān)性，壓力會引起材料的電氣特征發(fā)生巨大的變化。現(xiàn)在，一種新的測量技術(shù)能夠?qū)⒓{米材料的電氣和機(jī)械特性表示為施加探針壓力的函數(shù)，為人們揭示之前無法看到的納米現(xiàn)象。

美國Hysitron公司基于吉時(shí)利（Keithley）儀器公司雙通道數(shù)字源表設(shè)計(jì)的納米級電接觸電阻測量工具nanoECR能夠在高度受控的負(fù)載或置換接觸條件下實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的電氣和機(jī)械特性測量。Hysitron公司工程師David Vodnick表示，該技術(shù)能夠提供多種測量的時(shí)基相關(guān)性，包括壓力、置換、電流和電壓，大大增加我們能夠從傳統(tǒng)納米級探針測量中所獲得的信息量。這種測量是從各類納米級材料和器件中提取多種參數(shù)的基礎(chǔ)。

新測量方法

納米技術(shù)應(yīng)用的多樣性為耦合機(jī)械測量與電氣測量，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)高精度、可重復(fù)性和探針定位，提出了一系列的特殊挑戰(zhàn)。此外，納米觸點(diǎn)獨(dú)特的幾何尺寸也使我們面臨著很多技術(shù)難題。

Hysitron公司工程師Ryan Major 介紹說，該系統(tǒng)集成了Hysitron TriboIndenter納米機(jī)械測試儀和吉時(shí)利2602型雙通道數(shù)字源表，此外還包括一個(gè)導(dǎo)電樣本臺、一個(gè)獲專利授權(quán)的電容（nanoECR）轉(zhuǎn)換器和一個(gè)導(dǎo)電硬度探針（圖1）。該轉(zhuǎn)換器能夠通過電流，無需給探針連接外部導(dǎo)線，從而最大限度地提高了測試精度和可重復(fù)性。這種“穿針”式測量結(jié)構(gòu)確保了安全接觸，有助于減少可能出錯(cuò)的來源。

“該系統(tǒng)還包括一個(gè)完整集成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，支持壓力-位移和電流-電壓測量之間的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)。用戶可以在這一采集系統(tǒng)上連接輔助測試儀，進(jìn)行實(shí)時(shí)測量并提取其他所需的參數(shù)”，David Vodnick補(bǔ)充道，通過其用戶界面可以在很寬的負(fù)載和位移控制條件下方便地配置所有的測試變量。這一特點(diǎn)得益于數(shù)字源表的板載測試腳本處理器，它能夠自動運(yùn)行測試序列，為其他硬件元件提供同步，盡可能地減少系統(tǒng)各個(gè)部分之間的時(shí)序/控制問題。

系統(tǒng)測試流程與實(shí)例

Ryan Major表示，在該系統(tǒng)的測試過程中，探針被推進(jìn)到樣本表面，同時(shí)連續(xù)監(jiān)測位移。根據(jù)壓力和位移數(shù)據(jù)可以直接計(jì)算出樣本的硬度和彈性模量。對于電氣參數(shù)，吉時(shí)利數(shù)字源表向?qū)щ娕_加載一個(gè)偏壓，待測器件（DUT）與導(dǎo)電臺實(shí)現(xiàn)電氣耦合。當(dāng)導(dǎo)電硬度探針刺入材料，系統(tǒng)就可以連續(xù)測量電流、電壓、壓力和位移。壓力驅(qū)動/位移檢測功能通過靜電驅(qū)動的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，具有極低的測量噪聲和極高的靈敏度。轉(zhuǎn)換器/探針組合安裝在壓電定位系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了樣本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的掃描探針顯微（SPM）成像和非常精確的測試定位。在典型測量過程中，數(shù)字源表的一個(gè)通道用于實(shí)現(xiàn)源和測量操作，另一個(gè)通道用作電流到電壓放大器，將電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)。控制軟件極其靈活，允許用戶指定并測量源電流和電壓的幅值，對預(yù)定義的壓力或位移點(diǎn)進(jìn)行I-V掃描。用戶通過nanoECR軟件界面控制所有的數(shù)字源表功能，無需手動修改儀表本身上的參數(shù)。憑借該軟件的靈活性和自動化的測試?yán)?，用戶無需手動操作，能夠測試最具挑戰(zhàn)性的樣本。測試時(shí)間高度取決于用戶定義的變量，但是普通的測試序列耗時(shí)只有大約1分鐘。

David Vodnick舉例說，硅是一種很好的材料實(shí)例。在探針加載/撤除過程中隨著探針壓力的增大/減小，處于移動探針下的納米變形區(qū)內(nèi)會出現(xiàn)一系列相位變換。在加載探針的過程中，Si-I（菱形立方晶體結(jié)構(gòu)）在大約11～12GPa的壓力下將轉(zhuǎn)變?yōu)镾i-II（金屬β-Sn)。在撤除探針時(shí)隨著探針/樣本接觸壓力的減小，將會進(jìn)一步出現(xiàn)從Si-II到Si-III/XII的轉(zhuǎn)變。探針加載/撤除的速度也會影響材料的電氣特性。例如，在硅表面從最大負(fù)荷壓力下快速撤除探針將會形成α-Si，表現(xiàn)出完全不同的電氣特征。這類測量對于諸如硅基MEMS和NEMS器件的研究是非常關(guān)鍵的。在這類器件中，對小結(jié)構(gòu)施加的小壓力會轉(zhuǎn)變成大壓力，引起材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而決定材料的電氣和機(jī)械特性。

總結(jié)

成功的開發(fā)和制備納米級材料和器件在很大程度上取決于能否定量地評測和控制它們的電氣和機(jī)械特性。nanoECR系統(tǒng)的獨(dú)特方案提供了一種直接、方便而定量的技術(shù)，使研究人員能夠測出通過傳統(tǒng)方法不可能測出的材料特性/行為。除了硅之外，這種研究工具還能夠用于研究金屬玻璃、壓電薄膜、有機(jī)LED、太陽電池和LCD中的ITO薄膜，以及各種納米固體材料，使人們能夠洞察到薄膜斷面、錯(cuò)位成核、變形瞬態(tài)、接觸電阻、老化、二極管行為、隧道效應(yīng)、壓電響應(yīng)等微觀現(xiàn)象。