纳米级电接触电阻测量的新技术的研究

　　系统操作

　　在测试过程中，探针被推进到样本表面，同时连续监测位移。根据压力和位移数据可以直接计算出样本的硬度和弹性模量。对于电气参数，吉时利数字源表向导电台加载一个偏压，待测器件（DUT）与导电台实现电气耦合。当导电硬度探针刺入材料，系统就可以连续测量电流、电压、压力和位移。

　　压力驱动/位移检测功能通过静电驱动的转换器实现，具有极低的测量噪声和极高的灵敏度。转换器/探针组合安装在压电定位系统上，实现了样本拓扑结构的扫描探针显微（SPM）成像和非常精确的测试定位。

　　在典型测量过程中，数字源表的一个通道用于实现源和测量操作，另一个通道用作电流到电压放大器，将电流数据传输到控制计算机。控制软件极其灵活，允许用户指定并测量源电流和电压的幅值，对预定义的压力或位移点进行I-V扫描。用户通过nanoECR软件界面控制所有的数字源表功能，无需手动修改仪表本身上的参数。凭借该软件的灵活性和自动化的测试例程，用户无需手动操作，能够测试最具挑战性的样本。测试时间高度取决于用户定义的变量，但是普通的测试序列耗时只有大约1分钟。

　　Hysitron nanoECR系统分辨率、精度和噪声指标为：
　　•压力分辨率：1nN
　　•压力白噪声：100nN
　　•位移分辨率：0.04nm
　　•位移白噪声：0.2nm
　　•电流分辨率：5pA
　　•电流白噪声：12pA
　　•电压分辨率：5µV
　　•X-Y定位精度：10nm

　　硅相位变化的例子

　　对于研究探测过程中压力导致的相位变换（参见参考文献），硅是一种很好的材料实例。在探针加载/撤除过程中随着探针压力的增大/减小，处于移动探针下的纳米变形区内会出现一系列相位变换。在加载探针的过程中，Si-I（菱形立方晶体结构）在大约11～12GPa的压力下将转变为Si-II（金属β-Sn)。在撤除探针时随着探针/样本接触压力的减小，将会进一步出现从Si-II到Si-III/XII的转变。

　　图是一条相对连续的曲线，而电流-位移图在大约22nm的探针位移下出现不连续现象，表明发生了Si-I 到Si-II的相位变换。在逐渐撤除探针过程中，压力-位移和电流-位移的测量结果中都明显出现了Si-II到Si-III/XII的相位变换。这些变换出现得相当突然，我们将其看成是突入（pop-in）和突出（pop-out）事件，并在图2中标明。

　　探针加载/撤除的速度也会影响材料的电气特性。例如，在硅表面从最大负荷压力下快速撤除探针将会形成α-Si，表现出完全不同的电气特征。这类测量对于诸如硅基MEMS和NEMS器件的研究是非常关键的。在这类器件中，对小结构施加的小压力会转变成大压力，引起材料内部微结构的变化，进而决定材料的电气和机械特性。

图2. 机械（压力-位移）和电气（电流-位移）曲线表明在p型硅的纳米变形过程中出现了压力导致的相位变换

　　结束语

　　成功的开发和制备纳米级材料和器件在很大程度上取决于能否定量地评测和控制它们的电气和机械特性。nanoECR系统提供了一种直接、方便而定量的技术，使研究人员能够测出通过传统方法不可能测出的材料特性/行为。除了硅之外，这种研究工具还能够用于研究金属玻璃、压电薄膜、有机LED、太阳电池和LCD中的ITO薄膜，以及各种纳米固体材料，使人们能够洞察到薄膜断面、错位成核、变形瞬态、接触电阻、老化、二极管行为、隧道效应、压电响应等微观现象。

　　参考文献
　　1. Mann, A.B.; van Heerden, D.; Pethica, J.B.; Bowes, P.; Weihs, TP; Philosophical　Magazine A, vol 82, (2002), pp.1921-1929.
2. Ruffell, S.; Bradby, J.E.; Williams, J.S.; Warren, O.L.; J. Mater. Res., Vol. 22,
(2007), p. 578.

　　致谢

　　本文作者衷心感谢吉时利仪器公司的Jonathan Tucker，感谢他对本文的认真审稿。Jonathan是位于俄亥俄州克里夫兰市的吉时利仪器公司负责纳米技术研究与教育的行业市场主管。他是发起制定IEEE纳米电子标准路线图的联合主席，是IEEE P1690TM标准小组的副主席。他还支持并参与制定了碳纳米管测试与测量方法的IEEE标准——IEEE 1650TM-2005。Jonathan是克里夫兰纳米网络顾问委员会的委员。他曾获克里夫兰州立大学电气工程学士学位，获肯特州立大学MBA学位。他的联系邮件地址为jtucker@keithley.com。