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

Keithley 是先進電子測試儀器的全球領(lǐng)導(dǎo)者，擁有 60 多年的測量專業(yè)知識。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)測試。Keithley 的產(chǎn)品可以準(zhǔn)確地進行電流和電壓的測量。Keithley 測試設(shè)備支持的電化學(xué)學(xué)科測試包括電池和儲能、腐蝕科學(xué)、電化學(xué)沉積、有機電子學(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)品的測試方法和應(yīng)用。

表 1 - 電化學(xué)測試方法及應(yīng)用

循環(huán)伏安法

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

圖 1 -  循環(huán)伏安法測試的簡化電路

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

圖 2 - 源表連接蓄電池進行循環(huán)伏安法測試

當(dāng)編程控制 SMU 在源電壓使用感測 (4 線 ) 配置時， 內(nèi)部傳感提供電壓測試的反饋值并與編程設(shè)置的電壓大小進行比較。SMU 調(diào)整電壓源，直到反饋電壓等于編程電壓。遙感補償了測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)伏安法測試腳本自動繪制伏安圖。 圖3顯示了該儀器生成的伏安圖形。2450、2460和2461儀器包括一個測試腳本，可以在沒有計算機的情況下執(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)實驗室系統(tǒng)中還 包含其他電化學(xué)測試腳本：開路電壓，加載電壓脈沖或方波與電流測量，電流脈沖或方波與電壓測量，電流隨時間變化和電壓隨時間變化。這些設(shè)備還包括一個帶鱷魚夾的測試電纜，使用戶能夠輕松連接儀器和被測物。

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行的電壓測量。測量開路電位需要一個高阻抗的電壓表來測量沒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 線制配置時非常適合 OCP 測量，如圖 4 所示。 在此設(shè)置中，該儀器配置為測量電壓和源0A。如果在進行循環(huán)伏安法之前測量 OCP，則不需要在測量之間手動重新排列任何測試引線，因為儀器可以在內(nèi)部自動改變功能。2450-EC, 2460-EC 和 2461-EC 帶有執(zhí)行開路電位測量的測試腳本。

圖 4 - 使用電化學(xué)系統(tǒng)測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 測量樣品的電壓來確定的。4 線配置最大限度地減少 引線和接觸電阻，以減少它們對測量精度的影響。在這種配置中 ( 圖 5)，兩根引線用于產(chǎn)生電流，另一組引線用于測量導(dǎo)電樣品上的壓降。樣品上的壓降會非常小，因此使用 Keithley 2182A 納伏表進行測量。

圖 5 - 使用電流源和納伏表測量導(dǎo)電樣品

絕緣體 — 加電壓測電流

絕緣體的電阻率通常是通過對未知電阻施加電壓并測量產(chǎn)生的泄漏電流來測量的。這是一個雙端測試。體電阻率是直接測量通過材料的泄漏電流。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量圖

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

電壓測定

電壓 / 電位測定是測量兩個電極之間的電位，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測量的，因此任何電流都可以忽略不計 (i=0)。電位測定法用于諸如使用離子選擇電極進行的 pH 測量 和電壓測量等應(yīng)用。這些電位測量通常使用兩個電極和一個高阻抗電壓表進行，例如 6517B 或 6514 靜電計 ( 圖 7)。

圖 7 - 靜電計測量兩個電極之間的電位差。

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，醫(yī)療應(yīng)用，如測定葡萄糖濃度，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 ; 它們可能有兩個或三個電極，可以是電位計、安培計或伏安計。有些傳感器是基于有機電子器件或納米結(jié)構(gòu)的。

選擇最優(yōu)的測試設(shè)備對于電化學(xué)傳感器的研發(fā)至關(guān)重要。例如，測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。測試安培式氣體傳感器可能需要使 用非常靈敏的安培計，如皮安計、靜電計或源表。

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

圖 8 - SourceMeter SMU 儀器測量 2 電極安培氣體傳感器的電流輸出。

太陽能電池

為了滿足人們對清潔能源日益增長的需求，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 太陽能電池。太陽能電池的電學(xué)表征對于確定如何使電池，在盡可能小的損耗下盡可能提高效率至關(guān)重要。

 通常在太陽能電池上進行的一些電學(xué)測試包括測量電 流和電容作為施加直流電壓的函數(shù)。電容測量是作為 頻率或交流電壓的函數(shù)進行的。有些測試需要脈沖電 流 - 電壓測量。這些測量通常在不同的光強和溫度下 進行。從這些測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 顯示了從太陽能電池上典型的正向 偏置 I-V 曲線中可以提取的幾個參數(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行這 些關(guān)鍵的電氣測量時簡化測試和分析。4200A-SCS 是 一個集成系統(tǒng)，包括用于進行直流和超快速 I-V 和 C-V 測量的儀器，以及控制軟件，圖形和數(shù)學(xué)分析能力。  4200A-SCS 可以進行廣泛的太陽能電池測量，包括直流和脈沖電流電壓、電容電壓、電容頻率、驅(qū)動級電容分析 (DLCP) 和四探針電阻率。圖 10 顯示了 4200-SMU 連接太陽能電池進行 I-V 測量。 四線制連接消除了測量電路的引線電阻。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)分析儀測量的太陽能電池正偏 I-V 特性

可充電電池充電 / 放電

Keithley 源表可以簡化電池測試，因為它們能夠同時 加載和測量電流電壓。源表可以靈活的設(shè)置輸出源和 吸收電流，以及測量相應(yīng)的電壓和電流，使其成為電池充放電循環(huán)測試的完美解決方案。對于此測試，源表通過 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 測試電池充放電連接圖

對于充電和放電周期，該儀器配置為加載電壓和測量 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。在測試開始時，電池電壓小于儀器的電 壓輸出設(shè)置。這個電壓差驅(qū)動一個電流，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，  儀器作為恒流源工作，直到達到我們設(shè)定的電壓水平。

當(dāng)電池放電時，源表將作為接收器來使用，因為它是   耗散功率而不是輸入功率。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， 來自電池的電流流入儀器的 Hi 端子。因此，電流讀數(shù)   將為負。圖 14 所示為測量 2500mAh 電池放電特性的  結(jié)果。

圖 14 - 使用源表測試 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，因為它們可以產(chǎn)生和測量電流和電壓。 4200A-SCS 除了包含多個 SMU 外，還可以包括電容   電壓單元 CVU 或脈沖測量單元 PMU。可以表征的組   件可以包括碳納米結(jié)構(gòu)和器件、傳感器、太陽能電池、 有機半導(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 所需的測試應(yīng)用。在圖 15 所示的有機場效應(yīng)管 (OFET) 示例中，需要兩臺 SMU 儀器來表征器件。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 的傳輸特性是通過使用 SMU1 步進柵極電壓和使用 SMU2 掃過漏極電壓并測量漏極電流來確定的。

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。這種可配置的測試系統(tǒng)可以簡化敏感的電氣測量， 因為它將多個儀器集成到一個系統(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電極 ( 陽極和陰極 ) 之間的電流源。電流驅(qū)動金屬離子從陽極流向陰極，如圖 17 所示。在這個簡單的例子中， 6220 電流源使陽極的 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去控制沉積時間。除了提供電流或電壓外，特定應(yīng)用可能還需要監(jiān)測電流或電壓。 2400 系列或 2600B系列源表可以自動控制源的參數(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消除引線電阻的影響。

圖 17 - 采用恒流源進行電鍍的電路

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 特性測試，低電阻率和高電阻率測量、電池測試、電位測定法、電沉積、電氣器件特性以及其他涉及加載和測量電流和電壓以及高精度測量電容的測試。 Keithley 儀器可以通過遠程控制實現(xiàn)自動化測試，多臺同步和定時控制。了解Keithley 產(chǎn)品對電化學(xué)測試方法和應(yīng)用，