納米級電氣特性

　　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)對感興趣的點進(jìn)行確定性測量。但是，必須考慮的一個額外因素是施加的探針壓力對測試結(jié)果的影響，因為很多材料具有壓力相關(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。這種納米級電接觸電阻測量工具（美國明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市Hysitron公司推出的nanoECR?）能夠在高度受控的負(fù)載或置換接觸條件下實現(xiàn)現(xiàn)場的電氣和機(jī)械特性測量。該技術(shù)能夠提供多種測量的時基相關(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)。

　　發(fā)現(xiàn)、掌握和控制納米材料表現(xiàn)的獨特屬性是當(dāng)代科學(xué)研究的熱點。掌握它們的機(jī)械特性、電氣特性和失真行為之間的關(guān)系對于設(shè)計下一代材料和器件至關(guān)重要。nanoECR系統(tǒng)有助于這些領(lǐng)域的研究，可用于研究納米材料中壓力導(dǎo)致的相位變換、二極管行為、隧穿效應(yīng)、壓電響應(yīng)等現(xiàn)象。

　　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，同時又實現(xiàn)高、可重復(fù)性和探針定位，提出了一系列的特殊挑戰(zhàn)。根據(jù)探針/樣本的接觸狀態(tài)，電流量級可能從幾pA到幾mA，電壓量級從幾?V 到幾 V，施加的探針壓力從幾nN到幾mN，探針位移從幾? 到幾?m。此外，納米觸點獨特的幾何尺寸也使我們面臨著很多技術(shù)難題。

　　基于這些原因，Hysitron公司研制出了一套集成了Hysitron TriboIndenter?納米機(jī)械測試儀和2602型雙通道數(shù)字源表（俄亥俄州克里夫蘭市，吉時利儀器公司產(chǎn)品）的系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括一個導(dǎo)電樣本臺、一個獲授權(quán)的電容（nanoECR）轉(zhuǎn)換器和一個導(dǎo)電硬度探針（如圖1所示）。該轉(zhuǎn)換器能夠通過電流，無需給探針連接外部導(dǎo)線，從而限度地提高了測試和可重復(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的來源。

　　圖1. 能夠同時測量納米材料與器件的機(jī)械特性和電氣特性的測試系統(tǒng)框圖

　　該系統(tǒng)還包括一個完整集成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，支持壓力-位移和電流-電壓測量之間的實時關(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)行實時測量并提取其他所需的參數(shù)。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)各個部分之間的時序/控制問題。

　　系統(tǒng)操作

　　在測試過程中，探針被推進(jìn)到樣本表面，同時連續(xù)監(jiān)測位移。根據(jù)壓力和位移數(shù)據(jù)可以直接計算出樣本的硬度和彈性模量。對于電氣參數(shù)，吉時利數(shù)字源表向?qū)щ娕_加載一個偏壓，待測器件（DUT）與導(dǎo)電臺實現(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）成像和非常的測試定位。

　　在典型測量過程中，數(shù)字源表的一個通道用于實現(xiàn)源和測量操作，另一個通道用作電流到電壓放大器，將電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴嬎銠C(jī)?？刂栖浖O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，能夠測試挑戰(zhàn)性的樣本。測試時間高度取決于用戶定義的變量，但是普通的測試序列耗時只有大約1分鐘。

　　Hysitron nanoECR系統(tǒng)分辨率、和噪聲指標(biāo)為：

　　 壓力分辨率：1nN

　　 壓力白噪聲：100nN

　　 位移分辨率：0.04nm

　　 位移白噪聲：0.2nm

　　 電流分辨率：5pA

　　 電流白噪聲：12pA

　　 電壓分辨率：5?V

　　 X-Y定位：10nm

　　硅相位變化的例子

　　對于研究探測過程中壓力導(dǎo)致的相位變換（參見參考文獻(xiàn)），硅是一種很好的材料實例。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。

　　圖2給出了施加的壓力和測得的電流與探針位移之間的關(guān)系曲線。當(dāng)探針接觸硅表面時，壓力-位移圖是一條相對連續(xù)的曲線，而電流-位移圖在大約22nm的探針位移下出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，表明發(fā)生了Si-I 到Si-II的相位變換。在逐漸撤除探針過程中，壓力-位移和電流-位移的測量結(jié)果中都明顯出現(xiàn)了Si-II到Si-III/XII的相位變換。這些變換出現(xiàn)得相當(dāng)突然，我們將其看成是突入（pop-in）和突出（pop-out）事件，并在圖2中標(biāo)明。

　　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。

　　圖2. 機(jī)械（壓力-位移）和電氣（電流-位移）曲線表明在p型硅的納米變形過程中出現(xiàn)了壓力導(dǎo)致的相位變換

　　結(jié)束語

　　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*測和控制它們的電氣和機(jī)械特性。nanoECR系統(tǒng)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。