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產(chǎn)品
新聞
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特性 |
經(jīng)典二維材料（如石墨烯、MoS?） |
二維金屬材料（如單層鉍） |
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結(jié)構(gòu) |
層狀，范德華堆疊 |
非層狀，依賴外部封裝穩(wěn)定 |
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電學(xué)行為 |
半導(dǎo)體 / 絕緣體 / 半金屬 |
金屬性, 高電導(dǎo)率（如Bi達(dá)9×10?S/m） |
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穩(wěn)定性 |
空氣穩(wěn)定（h-BN、石墨烯） |
需封裝（如MoS?包裹） |
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典型應(yīng)用 |
晶體管、傳感器 |
量子器件、高頻元件 |
正因為二維金屬材料展現(xiàn)的特性，使得量子器件及其機(jī)理有可能產(chǎn)生新的突破，基于單層鉍的平帶特性與強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，其巨非線性霍爾響應(yīng)為量子計算中的 Berry 曲率調(diào)控提供了理想平臺。并且二維金屬的高電導(dǎo)率（9.0×10?S/m）與低功耗調(diào)控特性，使其成為超薄互聯(lián)或高頻晶體管溝通的核心材料。
二維材料電學(xué)測試和表征及主要測試設(shè)備主要包括：
? 四探針法測試方塊電阻：6517或4200A
? TLM測試接觸電阻率、載流子遷移率：DAQ 7510或者SMU
? Hall Bar測試：6221/2182A
? 開關(guān)比、閾值電壓、功耗等通用半導(dǎo)體參數(shù)測試：4200A
Hall測試是研究二維材料電輸運(yùn)的重要測試手段，通過將材料設(shè)計成Hall Bar的結(jié)構(gòu)，在外加磁場下，在不同溫度下對Hall電阻進(jìn)行高精度的測量。由于二維材料有著非常奇異的特性，諸如量子Hall效應(yīng)、量子反常Hall效應(yīng)、自旋Hall效應(yīng)、非線性Hall效應(yīng)(NLHE)等測試，逐漸揭示了時間反演和對稱性破缺下二維材料與三維體材料等巨大差異，為光電探測、量子測量、新型計算等開辟新的途徑。
上圖【2】為典型的Hall Bar結(jié)構(gòu)，用于測量Hall電阻，并通過nH=-(1/e)(dRxy/dB)-1推推導(dǎo)載流子密度，該函數(shù)nH是底柵的函數(shù)，因此在測試中需要對底柵bg增加一個可控的Vbias。
上如圖為T=1.5K時，nH在Vbg=62V和18.5V時改變符號，對應(yīng)著f=0和f=-1價全滿的狀態(tài)【3】。
二維材料中Hall測試的挑戰(zhàn)
■ 1. 特殊的測試條件: 一般條件下，被測樣品被放置在低溫(通常是超導(dǎo))及磁場環(huán)境中，其低溫低可達(dá)0.1mK，磁場可高達(dá)16T。在極端條件下，磁場可達(dá)幾十特斯拉脈沖強(qiáng)磁場，壓力可達(dá)數(shù)GPa。PPMS可以提供一般條件下的測試環(huán)境，在此環(huán)境下，測試電纜連線需考慮熱效應(yīng)及對測試結(jié)果的誤差因素。
■ 2. 需要極小或極大電阻的測試: 在超導(dǎo)條件下，被測樣品電阻可能低至nΩ級。而極端情況下，被測樣品電阻可能高達(dá)GΩ級，通常的阻抗測試方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。
■ 3. 需要測試極小電壓、電流及微分電導(dǎo): 此時信號往往淹沒在噪聲中，需要特殊的測試手法抑制噪聲，提取有效信號分量。
為應(yīng)對電輸運(yùn)測試面臨的挑戰(zhàn)，必須添加高精度適合極低電平測試的儀器體為必要的補(bǔ)充，該儀器必須具備去除噪聲的自力。以鎖相放大器為代表的的AC法和以Keithley 622x低電平電流源/2182A納伏計組合為代表的Delta模式是兩種主要的應(yīng)對挑戰(zhàn)的方法，兩種方法的框圖如下：
圖：AC法和Delta法測試原理
6221/2182A組合的Delta模式可以提供準(zhǔn)直流電流反向技術(shù)的測量和計算，以消除溫差電動勢的影響，每個Delta讀數(shù)都是根據(jù)一個通道的兩個電壓測量結(jié)果計算而來；一個測量電流源的正相，一個測量負(fù)相，從而使噪聲降低1000倍。
AC法和 Delta 模式法各有優(yōu)勢，相輔相成，一般在電輸運(yùn)測試時都配置。下圖示意出兩者應(yīng)用范圍：
從上兩圖可以看出，鎖放可在更高頻率應(yīng)用，比如脈沖測試，但鎖放較適合 100mΩ~1MΩ范圍的測試，而Delta 模式可測試更低電平的信號，也更適合低于100mΩ及大于1MΩ的電阻測試。
根據(jù)Hall Bar的結(jié)構(gòu)，測試組網(wǎng)需要一下信號的激勵與采集：
■ SD方向的電流注入
■ Vxx方向的電壓采集，用于測試材料本體的電導(dǎo)率σxx
■ Vxy方向電壓采集，用于測試材料霍爾電阻σxy
通常情況下，Vxx和Vxy需要同時測量，特別是在一些拓?fù)浣^緣體和自旋材料的研究中，需要觀測到在磁場下或自身磁性影響下能帶劈裂后呈現(xiàn)量子化的霍爾電阻和相對應(yīng)的體電阻的變化，用于判定材料是否滿足拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)【4】。
一臺2182A配備兩個電壓采集通道，可以同時采集Vxx和Vxy，配合6221產(chǎn)生的高精度電流，可以方便、準(zhǔn)確的完成Hall測試。
除了低電平測試儀器，通常電輸運(yùn)測試還要配置SMU作為直流激勵源。特殊情況下還需要AFG作為交流激勵源，采集卡或示波器用于采集鎖放輸出信號。高頻輸運(yùn)特性的研究是電輸運(yùn)特性測試的發(fā)展方向，研究高頻輸運(yùn)特性時，需配置帶寬達(dá)GHz的任意波形發(fā)生器。
方案優(yōu)勢
100fA~100mA電流輸出，1nV電壓測試靈敏度，高達(dá)10nΩ電阻測量靈敏度
泰克獨有的TSP LINK連接6221/2182A，自動完成 Delta模式測試
Delta模式可降低噪聲1000倍
多型號高精度SMU供激勵源選擇
領(lǐng)先的AWG為高頻輸運(yùn)特性研究提供強(qiáng)力支持
電輸運(yùn)測試領(lǐng)域普遍采用
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