01

/納米材料電學性能的表征和分析/

與傳統的材料相比，納米材料具有原子級厚度、表面平整無懸空鍵、載流子遷移率好等優點，其導電性能很大程度依賴于材料本身的帶隙、摻雜濃度和載流子遷移率。同樣的摻雜濃度下，遷移率越大，電阻率越小，導電率就越高。在納米材料/器件電學性能的表征和分析中，通常采用霍爾效應及電阻率測試法。

霍爾效應測試

當電流垂直于外磁場通過納米材料時，載流子發生偏轉，垂直于電流和磁場的方向會產生附加電場，從而在半導體兩端產生電勢差，這一現象稱為霍爾效應。霍爾效應測試常用的測試方法是范德堡法，并在測試時外加磁場。

圖：霍爾效應測試系統架構

電阻率測試

二維納米材料（如石墨烯）電阻率測試是重要的測試項目，測試方法主要為四探針法與范德堡法。

對于規則圓形的材料樣品，電阻率測試比較方便的方法是四探針法，四探針法優勢在于分離電流和電壓電極，消除布線及探針接觸電阻的阻抗影響。范德堡法為更通用的四探針測量技術，對樣品形狀沒有要求，且不需要測量樣品所有尺寸。

圖：四探針法測試系統架構

圖：范德堡法測試系統架構

此外，由于納米材料具有獨特的物理、化學和生物學性質，在制備過程中納米粒子的大小、形狀和結構很難控制，且納米材料的性質受表面效應、尺寸效應和缺陷效應等因素的影響，使其制備和性質研究面臨巨大挑戰。

02

/納米材料高溫原位表征技術/

原位表征技術的發展促進了科研人員對納米材料的認識，使得納米材料的性能研究實現飛躍性突破。其中原位透射電子顯微分析法(TEM)是實時監控與記錄位于電鏡內的試樣對不同外界激勵信號的動態響應的一種手段，有助于加速納米材料的開發和應用。

高溫原位表征系統基于高精度數字源表，控制MEMS芯片在原位樣品臺內對樣品構建精細熱場自動調控及反饋測量系統，并結合透射電子顯微鏡（TEM）研究材料在不同熱場條件下發生結構相變、形貌變化、物性變化以及電性變化等關鍵信息，是納米材料結構表征科學最新穎、最有發展空間的表征技術之一。

圖：原位TEM電性能表征

注：圖片來源于“Phase and polarization modulation in two-dimensional In2Se3 via in situ transmission electron microscopy”

03

/納米材料的典型應用及電性能測試方案/

目前，納米材料的應用主要集中在電子信息、生物材料、能源等領域，其中在新型電子器件的設計和制造上取得很大突破，如納米晶體管、納米傳感器、納米光電子器件等。通過在納米尺度上控制和操縱電子器件和材料的性質，使得器件具有更小的尺寸、更低的功耗以及更快的響應速度，未來在電子信息及其他科技領域上將會衍生更大的價值。因此，針對納米材料的不同應用，采用有效的技術方法和手段對納米材料/器件的性能進行深入研究至關重要。

納米電極材料應用及測試表征

碳納米管具有優異的機械性能和電化學性能，一直在各領域備受關注。在鋰電池的應用中，碳納米管作為電極時，其獨特的網絡結構不僅能夠有效地連接更多的活性物質，出色的電導率也可以大幅降低阻抗。電導率及循環伏安法是表征電極材料電性能的重要手段，循環伏安法測試過程中，使用較多的是三電極系統和兩電極體系。

圖：循環伏安法測試系統架構

雙極板（BPP）材料應用及測試表征

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種使用氫氣和氧氣作為燃料的電池，通過化學反應生成水，并產生電能。雙極板（Bipolar plate，以下簡稱BP）是燃料電池的一種核心零部件，主要作用為支撐MEA，提供氫氣、氧氣和冷卻液流體通道并分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量，常見的材料有石墨、復合材料和金屬。作為核心部件，體電阻率測試是雙極板材料性能的重要表征技術之一。

圖：體電阻率測試系統架構

納米壓敏陶瓷材料應用及電性能測試表征

壓敏電阻又稱變阻器、變阻體或突波吸收器，其電阻會隨外部電壓而改變，因此它的電流-電壓特性曲線具有顯著的非線性：

- 在閾值電壓以下，壓敏電阻的阻值很高，相當于開路；

- 超過閾值電壓后，壓敏電阻的阻值大大降低，吸收瞬間的能量。

壓敏電阻的電學特性主要包括壓敏電壓、漏電流、封裝耐壓、響應度等方面。由于器件本身耐壓高，測試需要高壓，同時需要nA級小電流測量能力，推薦使用普賽斯P系列脈沖源表或E系列高電壓源測單元，P系列脈沖源表具備300V高壓，小電流低至1pA；E系列高壓源測單元最大電壓高達3500V、最小電流低至1nA。

圖：P系列高精度臺式脈沖源表

圖：E系列高電壓源測單元

納米發電材料應用及測試表征

納米發電機是基于規則的氧化納米線，在納米范圍內將機械能、熱能等轉化為電能，是世界上最小的發電機。目前主要包括：摩擦納米發電機、壓電納米發電機、熱釋電納米發電機、靜電納米發電機以及溫差發電機等。

由于納米發電自身的技術原因，在測試時具有電流信號微弱（低至μA甚至nA級）；內阻大，開路電壓很難測準；信號變化快，難以捕獲電壓或電流峰值等特點。推薦使用普賽斯S系列直流源表、P系列脈沖源表或CS系列插卡式多通道源表，搭配上位機軟件，可實現納米發電材料輸出電壓以及輸出電流隨時間變化的曲線：V-t、I-t等，適用于摩擦發電、水伏發電、溫差發電等納米發電研究領域。

圖：納米水伏發電測試系統架構

圖：納米溫差發電測試系統架構

有機場效應晶體管應用及測試表征

有機場效應晶體管（OFET）是一種利用有機半導體組成的場效應晶體管。一般由柵極、絕緣層、有機有源層、源/漏電極構成。主要性能指標有遷移率、開關電流比、閾值電壓三個參數，通常用輸出特性曲線和轉移特性曲線來表征。推薦使用普賽斯SPA6100半導體參數分析儀來進行I-V測試以及C-V測試，可以用來獲取器件的輸出轉移特性、柵極漏電流、漏源擊穿電壓等參數；C-V測試可以確定二氧化硅層厚度dox、襯底摻雜濃度N以及固定電荷面密度Qfc等參數。

圖：SPA6100半導體參數分析儀


審核編輯 黃宇