二维材料电学表征与器件测试方法及实现方案

概述

所谓二维材料 (Two dimen-sional material)，指的是电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，属于纳米材料的范畴，包含具有超导、金属性、半金属、拓扑绝缘体、半导体、绝缘体的材料。

二维材料表现出不同于普通材料的奇异性质，这源于其超薄的厚度引起的量子限域效应，这些奇异的性质使得二维材料成为物理学、化学和材料科学研究的热点。二维材料在透明导电电极、光电探测器、气敏探测器、二极管、晶体管、忆阻器、太阳能电池、LED、电催化剂、光催化剂等领域得到广泛应用。此外，二维材料其超薄的特性有望解决常规半导体面临的短沟道效应，使得晶体管尺寸进一步缩小，在大规模集成电路领域有潜在的应用前景。

二维材料最为典型的代表是石墨烯，石墨烯是由碳原子组成的二维结构，由于在电学/热学/光学等方面的优良特性，被广泛研究并使用在这个领域。

在半导体特性上，石墨烯具有优良的导电特性及易掺杂改性的特性，因此被用来制作为各种半导体器件，如零带隙、顶栅石墨烯场效应管，双层石墨烯晶体管，双极超导石墨烯晶体管，石墨烯纳米带场效应管等。在应用上可作为穿戴设备，传感器，充电设备等。

二维/石墨烯材料及电子器件电性能测试

二维/石墨烯材料电学方面的研究，材料改性后的电阻率，载流子浓度及载流子迁移率，这些参数之间的关系如下：

对二维/石墨烯材料，通常使用四探针法或范德堡法测试电阻率，用霍尔效应测测试载流子迁移率及载流子浓度，有关这几种测试方法，请参阅《纳米材料电性能测试概述》。对二维/石墨烯电子器件，通常用I-V曲线表征其特性。

二维/石墨烯材料及电子器件电性能测试挑战

■ 首先，二维/石墨烯材料属于纳米材料范畴，《纳米材料电性能测试概述》中讨论的测试挑战对二维/石墨烯材料都适用。

■电阻率及霍尔效应测试均是加流测压的过程，需要设备能输出电流并且测试电压，这意味着同时需要电流源和电压表，并且电流源和电压表精度要高，保证测试的准确性。

■ 电阻率及电子迁移率通常范围较大，需要电流电压范围都很大的设备。

■ 需与探针台配合，测试设备需方便连接，需易用的软件

■ 霍尔效应测试时，通常要准备霍尔条（HallBar）

高性价比测试方案

硬件

6221高精度脉冲电流源

2182纳伏表

7168开关卡

探针台（第三方）

软件

自行开发

优势

性价比高

具有脉冲电流

Delta模式

被测样品电阻适用范围广(uΩ~TO2)

纳伏开关卡不影响测试精度

高性能测试方案

硬件

4200A-SCS + 4200 SMU X 3 或 4

4200 PA X 3 或 4

测试台（第三方）

软件

Clarius

优势

SMU模块集电压源/电压表/电流源/电流表于一体，集成度高，方便使用

SMU均配有开尔文接口，在测试小电阻时可有效消除线缆电阻的影响

电流输出精度40fA；电流测试精度10fA；电压测试精度80uV；

带有pulse工作模式，使用pulse测试可以消除自加热效应（需增加4225 PMU硬件）

Clarius软件可调用内置Project，不仅适用于针对二维/石墨烯材料的四探针，范德堡，霍尔效应测试，也适用于二维/石墨烯电子器件I-V C-V特性测试（C-V特性测试时需添加4210 CVU硬件）

开放设备底层指令，附带编译软件，支持自编程