定义概述

存在的挑战

基本原理

误差及误差解决方案

曲线和灵敏度/分辨率的挑战

屏蔽罩的作用

温度的影响

与DUT的电连接

实例分析

最优解决方案

定义概述

纳米技术与科学吸引着来自于电子学乃至化学再到生物学的诸多学科领域的研究者，推动着他们不断运用碳纳米管[1]、化学分子、量子点、甚至聚合物研发出新的材料和元器件及多种多样的潜在应用和产品，无论是传感器[2]、给药系统、更坚固和轻巧的材料、更快与更小的电子元器件，还是更高效的能量系统，都将成为纳米技术研究的创新成就。

为了应对纳米科学的挑战，研究者必须进行多种多样的测量工作，包括电流－电压（I－V）特性、电阻、电阻率和电导率、输运、光谱和能量的测量，以揭示物质在纳米尺度上的错综复杂的规律，并基于纳米材料来制作可靠的电子器件。

存在的挑战

研究者们在试图进行灵敏的测量之前，还必须理解一些纳米电测量中存在的挑战。

这些挑战包括：

·测量的基本原理[3]

·学习曲线

·灵敏度与分辨率

·误差源[4]

·电缆、连接与探针

·计测标准

基本原理

对纳米元器件的电测量——电压、电阻和电流——都带来了一些特有的困难，而且本身容易产生误差。研发涉及量子水平上的材料与元器件，这也给人们的电学测量工作带来了种种限制。在任何测量中，灵敏度的理论极限是由电路中的电阻所产生的噪声来决定的。电压噪声[5]与电阻的方根、带宽和绝对温度成正比。高的源电阻限制了电压测量的理论灵敏度[6]。虽然完全可能在源电阻抗为1的情况下对1V的信号进行测量，但在一个太欧姆的信号源上测量同样的1V的信号是现实的。即使源电阻大幅降低至1，对一个1V的信号的测量也接近了理论极限，因此要使用一个普通的数字多用表（DMM）进行测量将变得十分困难。 除了电压或电流灵敏度不够高之外，许多DMM在测量电压时的输入偏移电流很高，而相对于那些纳米技术[7]常常需要的、灵敏度更高的低电平DC测量仪器[8]而言，DMM的输入电阻又过低。这些特点增加了测量的噪声，给电路带来不必要的干扰，从而造成测量的误差。

系统搭建完毕后，必须对其性能进行校验，而且消除潜在的误差源。误差的来源可以包括电缆、连接线、探针[9]、沾污和热量。

误差及误差解决方案

要测量弱电流，就必须理解各种潜在的误差源[10]，这些误差会造成人们所不希望出现的测量误差[11]。影响多种类型的纳米电子器件的测量结果的两种极为常见的误差源是摩擦生电效应和电化学效应（图1）。

图1：导体和绝缘体之间的摩擦所产生的电荷将引发所谓的摩擦生电[12]（Triboelectric）电流。摩擦作用从导体上掠走自由电子，从而造成电荷不平衡性，这相应产生了电流，共轴电缆中的绝缘体和导体的相互摩擦作用就是这样的一个例子。误差电流[13]也会由于电化学效应而引起，在这种过程中，离子性的化学物质会在两个导体间形成微弱的电池。印刷电路板上的腐蚀溶液、助焊剂或者其他沾污会在导体间形成几个nA的电流。

导体与绝缘体间的摩擦所产生的电荷将引发摩擦生电（Triboelectric）电流。摩擦作用从导体上掠走自由电子，从而造成电荷不平衡性，并相应形成电流。典型的实例是如图中所示的同轴电缆中的绝缘体和导体一起摩擦而产生的电流。“低噪声[14]”电缆大大降低这一效应。在它的外屏蔽之下，内绝缘体往往是涂覆石墨的聚乙烯。石墨起到润滑的作用并构成了一个导电的等电位筒，以保持电荷平衡，并最大限度减少电缆运动所致的摩擦产生的电荷。不过即使是低噪声的电缆在承受震动、拉伸和收缩时也会产生一定的噪声，因此应该尽可能缩短所有的连接线，而且避免温度变化（会产生热膨胀力），最好把电缆用胶带粘贴或者捆绑到无振动的表面上，如墙面、工作台或者刚性的结构上。

其他应对移动和振动[15]问题的解决方案包括：

·除去振动源或者与振动源间在机械上解耦。电机、水泵和其他机电装置都是常见的振动源[16]。

·稳定整个测试环境。保证电子元器件、导线和电缆的稳固安装或者捆绑固定。屏蔽[17]应该保证稳定。

其他相互接触的绝缘体和导体间也会发生摩擦生电效应。因此，应该在建造测试装置和进行弱电流[18]与高阻抗的连接时，应该尽可能减少绝缘体与导体间的接触。

误差电流也可能由电化学效应而引起，即离子性的化学物质将在两个导体间形成微弱的化学电池。例如，常用的树脂印刷电路板上的腐蚀溶液、助焊剂或者其他的沾污若未被彻底清除，将在导体间产生几个nA的电流。绝缘体的电阻会由于高湿度环境或者离子沾污的存在而大幅下降。

为了避免沾污和潮气的影响，应选择那些能避免吸收水汽的绝缘体，并让湿度处于适中的水平。此外还应该确保所有的绝缘体都保持清洁，避免沾污。若绝缘体被沾污，应当用甲醇等清洁剂来清洁所有相连的电路。当各种沾污溶解到溶剂中后，应当将其冲走，避免它们被再次吸收。在清洗时务必仅使用高度纯净的溶剂；较低等级的溶剂会含有各种沾污物质，从而留下具有电化学效应的薄膜。

图2示出了这两种误差源所能产生的、有害电流的范围。这些有害电流中的每一种都正好处于碳纳米管FET、分子电子元器件抑或单电子晶体管的测量所需的测量范围内。

图2：摩擦生电和电化学效应所产生的电流都恰好处于碳纳米管FET[19]、分子电子元器件抑或甚至单电子晶体管SET测试所需的测量范围之内。

曲线和灵敏度/分辨率的挑战

仪器操作中繁琐的编程[20]工作以及神秘的种种细节会分散工作繁重的研究者的精力。许多电特性测量工具[21]都极为复杂，而且它们的数据传输机制极为冗琐，需要大容量的存储介质。图形分析所花费的时间也过长。学习和编程设定的工作会占用本来应该用于研究的时间。

仪器的用户友好性具有重要意义，无论对研究者还是那些选取新的发现并将其转化为实际产品的设计工程师和制造专业人员来说，都是如此。最新型的电气测量系统应当基于PC，支持人们熟知的Windows™操作系统所特有的点－击、剪切－粘贴和拖－放功能。这些系统功能可以缩短学习曲线，从而让测试的建立、执行和分析在时间上更富有效率。

第三个测试方面的挑战是灵敏度和分辨率。仪器的灵敏度一般是由其最低的测量范围除以分辨率来量度的。分辨率是可以观察到的信号的最小比例。图3所示的曲线证明了这一指标的重要意义，图中示出了纳米级金属[22]－氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的栅极漏电流[23]的测量结果。所测量到的电流的范围从30fA变化到约170fA。这一测量需要的电流灵敏100aA（100E－18A）。无论何种情况，所要求的灵敏度都取决于应用。图3：纳米MOSFET的栅极漏电流范围是30fA至约170fA。

屏蔽罩的作用

电缆的不当使用会造成测量时间过长的问题。共轴电缆提供了一个传输信号的内导体和屏蔽。内导体和屏蔽之间存在着可供漏电流流过的旁路电阻和电容通路[25]（图4）。除了作为漏电流的通路之外，旁路的R和C还构成了一个RC电路，该电路将大大放慢弱电流或者高电阻测量的速度，而且要实现精确的读数一般需要等待5倍RC的时间常数。要测量极高的电阻——G甚至更高——则需要数秒到数分钟才能让读数稳定到最终值的1%以内。 我们建议采样三轴电缆[26]和屏蔽罩措施，以消除漏电路径和稳定时间的问题。在图4的第二种构型中，电缆是由一个内导体、内屏蔽和外屏蔽构成的。通过用单增益放大器来驱动电缆的内屏蔽，可以几乎完全消除电缆电阻[27]（以及其他的漏电电阻）的负载效应。因为内部导体和内部屏蔽[28]间的电压差现在几乎为零，所有的测试电流现在都流过内导体并流向测量仪器的输入。流过内部屏蔽－地的漏电通路的漏电电流可能具有较大的量值，但该电流是由单增益放大器的低阻抗输出而非电流信号源来提供的。

图4： 在内导体和共轴电缆之间的旁路电阻和电容通路将容许流过漏电流[29]。此外，旁路R和旁路C构成了一个RC电路，该电路会大大减慢低电流或者高电阻的测量速度。

根据定义，屏蔽在电路中应当是一个低阻抗的点，其电位应当与高阻抗输入端的电位近乎相等。在现代静电计[30]中，预放大器的输出端应该置于这个点上，可以用于减少电缆的漏电。一个进一步的好处是等效的电缆电容也相应降低了，从而大大提升了电路的响应速度，缩短了测量时间。

温度的影响

热电压或者EMF是低电压测量[31]中最常见的误差源。如图5所示，当电路的不同部分处于不同的温度时，以及由不同材料构成的导体连接到一起时，就会产生这些电压。表中列出了各种材料相对于铜的See beck[32]系数。

图5：当电路的不同部分处于不同温度以及由不同的材料制成的导体连接到一起时，就会产生热电电压。

电路中的所有导体都用同种金属制作，就可以最大限度减少热电EMF[33]的产生。例如，用卷边铜套管或者接线片与铜线构成的连接，形成了冷焊的铜－铜结，其产生的热电EMF极小。此外，连接点必须保持清洁而且避免氧化物的存在。例如，清洁的Cu-Cu连接的Seebeck系数为±0.2V/°C，而Cu-CuO的连接的这一系数高达1mV/°C。

Paired Material　Seebeck Coefficient, QAB, microvolts/°C

Cu-Cu　<0.2

Cu-Au　0.3

Cu-Pb/Sn　1–3

Cu-Si　400

Cu-CuO　1000尽可能降低电路中的温度梯度也可以减少热电EMF。减少这一梯度的技术是将所有的连接点间的距离尽可能缩短，并实现与公共的、大尺寸的散热器间良好的热耦合[34]。必须使用较高电导率的电绝缘材料，但由于大多数电绝缘体的导热性不好，故必须采用特制的绝缘体，如硬质阳极化铝、氧化铍、特别填充的环氧树脂、蓝宝石或者金刚石，来实现各连接点到散热器[35]的连接。另外，让测试设备完成暖机过程，并在恒定的环境温度下达到热平衡，也可以最大限度减少热电EMF效应。有些仪器甚至提供了各种内置的测量模式，这些模式可以改变测试信号的极性以抵消热EMF。

与DUT的电连接

为了与纳米器件[36]或者元件实现电接触，必需提供相应的夹具、显微镜和探针系统[37]。当今的纳米研究者正在使用诸如原子力显微镜、扫描电子显微镜和聚焦离子束工具等手段来实现器件的可视化、对其执行机械测量并进行I－V特性测量[38]。要实现微米和纳米尺度上的研发、甚至生产应用，就需要纳米操纵器等工具。这些系统可以拥有多达4个的定位器，用于通过实现4轴运动来完成纳米尺度样品的抓握、移动、测试和最优定位。这就允许我们在纳米级试验时同时实现操纵、成像和电测量。不幸的是，探针尖和探针系统也可以成为测量误差源[39]，它们可能大于电测量工具本身的误差。测试信号的完整性取决于能否实现高质量的探针接触，而这直接与触点的电阻相关。随着信号电压的下降、接触压力的减少以及纳米技术[40]所研究的器件结构的日新月异，探针的接触电阻的影响变得越来越重要。

在使用过程中，探针会受到沾污，造成测量的误差。探针针尖的磨损和相应在针尖处出现的沾污会造成接触电阻的增加。要增强探针的长期性能，最佳的途径是在测试协议中融入定期清洗的流程。虽然定期清洗可以在沾污造成较高的接触电阻从而带来测试产率的损失之前即可以将其消除，但对这一好处的评估也必须计及其成本。一个与清洗有关的成本要素是由于探针系统停止运行所导致的测试吞吐率的降低。另一方面，过少的清洗工作又会影响测试产率。

如下的任何一种现象都可能指示沾污问题的存在：

·探针的接触电阻变高。

·产率的下降可以归结为接触电阻过高。

·重新探压并不能改善测试失效率。

·可视的（显微的）检验表明探针针尖上存在颗粒或者覆层。

往往不正确的测量结果是第一个揭示故障的线索，而且重新的探查并不能改变失效率。在显微镜下观察探针针尖可以确认诊断结果。可以从探针的供应商那里获得关于清洗方面的建议。

实例分析

&shy;碳纳米管的特性使得它们成为一种出色的电子元件材料[41]。图6示出了FET结构所使用的碳纳米管[42]。为了发现器件的I－V特性曲线[43]，建议采用有弱电流测量[44]功能的仪器。一种可用的典型仪器是信号源－测量一体化单元（SMU），它可以输出电压或电流信号，并分别对电流或者电压响应进行测量。让一个SMU对栅电压进行扫描，并用另一个SMU来控制源－漏电压，则可以测量出源－漏电流。请注意待测电流大小处于nA范围。对于大多数测量仪器而言，这往往是一个轻而易举能实现的任务，而且噪声也不成其为问题，但正如前面所讨论的那样，存在一个潜在的误差源。

图6：碳纳米管的特性使得它们成为一种出色的电子元件材料，正如图中所示的FET结构[45]。为了获取器件的I－V特性曲线[46]，建议采用具有低电流测量功能的仪器。

电子元件的自组装代表了电子制造领域的一个新的范式，导致了分子二极管[47]、开关或者存储器的研发。这些器件使用数百nA的电流，其测量是可行的，但是在某些特定情况下，待测电流处于数百pA的范围，这就要求测量工作更为谨慎。

单电子晶体管是一种新型的开关器件，它利用受控的电子隧穿效应来放大电流。其中一个金属电极上的电子行进到另一个电极上的唯一途径就是通过绝缘体的隧穿电流。因为隧穿是一个分立的过程，穿过隧道结的电荷是e（单个电子的电荷）的倍数。当栅极电压设置为零时，只会出现很小的隧穿。与隧穿相反的效应被称为库仑阻塞。栅电容上的电荷可以设置为电子电荷的非整数倍，因为在金属中输运的电荷是连续的。这种由电压控制的电流行为使得SET的工作非常类似于一个FET，不过是在小得多的尺度上实现的。

由于SET的行为特性的缘故，而且也因为仅涉及单个电子的运动，电流的测量值很小。随着栅电压从至少－5mV扫描至+5mV，电流水平上出现了截然分立的步进（库仑台阶）。这些电流的测量值都处在pA的范围上。

显然，该应用需要对弱电流的敏感能力，而且甚至需要很低的、具有V分辨率的电压信号输出能力。当栅压以极低的电压步进在一定的范围上（很容易达到－100mV～+100mV）扫描，这一要求就意味着需要提供很大的数据存储容量，以便能捕捉到I－V特性曲线上的多个点。20，000个点以上的存储要求并非不可能。

最优解决方案

每天，各研发实验室都诞生各种新的思想和创新点。随着新点子的出现，人们也需要各种新的、不同的测量手段。例如，研究者们感兴趣的是，如何在测量材料[48]的力学特性的同时还可以相应观察其电特性。人们仍然需要可视化手段，以便观察在原子水平上正在发生什么现象。在分子和原子水平上，某些现象的发生速度常常过快。为了测定这些时间，就必需提升现有测量方法的速度，并降低其噪声。若施加过大的电流，就容易破坏纳米和分子电子器件。仪器必需能够限制功率的大小，以便将焦耳发热效应保持在最低水平上。另外，在输出电压信号[49]以测量器件时，分辨率低至1V的电压步进输出将具有重要价值，只有这样才能让研究者能清晰地看到在一个很小的步进变化过程中发生的现象。

按如下所示的四个步骤可以实现出色的纳米测量，从而增强人们对测试结果的信心。

·确定测量质量。理解所需要的灵敏度、分辨率和精度指标。

·设计测量系统。选择恰当的工具、电流、探针系统和夹具。

·建造系统并检验其性能。理解你所处的环境中的潜在误差源，或者消除这些误差。清楚系统能做什么测量。

·开始进行测量