新型納米級電接觸電阻測量技術(shù)

　　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。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(shí)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(dú)特屬性是當(dāng)代科學(xué)研究的熱點(diǎn)。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(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)。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(diǎn)獨(dú)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、一個獲專利授權(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(shí)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(shí)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(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(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)字源表的一個通道用于實(shí)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(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、精度和噪聲指標(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