原创 纳米测试技术的新挑战

纳米技术是一个重要的新研究领域，它对于电子、材料、生物、替代能源和很多其他应用都将产生巨大的推动作用。

要想掌握新的组件材料如纳米晶体、纳米管、纳米线和纳米光线在未来电子器件中的行为特征，需要能够在很宽范围内进行电阻和电导率特征分析的测试仪器。这常常需要测量很小的电流和电压。

纳米技术研究发展十分迅速。实际上，很多科学家和工程技术人员发现他们现有的测量工具只是缺乏对与纳米技术材料研究相关的低值信号进行有效特征分析所需的灵敏度和分辨率。同时，其他一些人则忙于跟踪新技术带来的测量需求的快速变化。

能够在纳米级进行精确而可重复的测量对于希望开发下一代材料的工程技术人员而言是至关重要的。

纳米技术测试的挑战

对于纳米电子材料，灵敏的电气测量工具是必需的。它们能够为我们彻底掌握新材料的电气特性和新纳米电子器件与元件的电气性能提供所需的数据。仪器灵敏度必须要更高，因为待测的电流更低，很多纳米材料表现出大大改善的特性，例如导电率。待测电流的幅值可能只有飞安量级，电阻低至几微欧。因此，测量技术和仪器必须尽量减少可能会干扰信号的噪声和其他一些误差源。

同样重要但却常常被忽视的一个因素是研究工具和仪器必须简洁易用，具有很好的性价比。这些特征的重要性将随着行业应用的增长而增长。现在的某些工具非常复杂，在面板显示屏上设置了太多的按钮，常常把用户搞糊涂，增加了用户的学习难度。同样，数据传输机制经常也很繁琐，需要大量的存储媒介。图形分析十分费时，软件编程占用了大量的研究时间。必须对设备投资进行艰难选择的部门负责人和管理者们应该仔细分析这些问题，在进行投资之前要比较仪器的各项指标。

要想快速推进测试技术的发展水平，广大研究人员不能深陷繁琐的编程工作和隐晦的仪器操作细节之中。用户友好的仪器不论对于研究人员和技术人员，还是对于必须有创新思维并将其转化为实际产品的设计工程师和制造专家而言，都是非常重要的。为了应对这一挑战，真正代表现有技术发展水平的电气特征分析系统必须采用基于PC的架构，具有人们熟悉的点击、剪贴、拖拉等Windows?操作系统的特征。这些系统功能缩短了人们的学习过程，从而提高了测试配置、执行和分析的效率。

纳米级测试还存在很多困难。例如，要想通过器件级探测进行失效分析和其他测试操作是极其复杂的。这需要新的测试设备、探测仪和新的纳米测量标准。

对标准的需求

随着纳米技术器件的不断增多，我们需要针对这些器件的质量标准。尤其是当涉及测试的时候，近期业界制订了一个新标准，并通过了电气和电子工程师协会（IEEE）的批准。

最新批准的IEEE 1650TM 2005标准全称为“碳纳米管电气特征测量的标准方法”，该标准为急速增长的纳米技术行业制订了一套统一和公共的推荐测试与数据报告例程，以评测碳纳米管的电气特性。

碳纳米管是一种管状结构，目前已成为纳米材料研究的焦点，因为它在构建纳米级低功耗电子器件方面表现出了多种令人兴奋的特性。纳米管甚至可以在某些应用中用作生物或化学传感器件，或者用作单个原子的载体。

这一新标准针对碳纳米管的电气测量推荐了多种测试仪器和测量操作方法，以尽可能减少和（或）分析在碳纳米管测量中遇到的人为测量因素和其他一些测量误差源的影响。对于急于将实验结果变成生产线上的商用产品的设计工程师而言，这些新的测试标准通过在实验研究员和设计工程师之间提供统一的尺度，将有助于促进纳米管的商业化应用。这一新标准中规定推荐的测量数据包括电阻率、电导率、载流子迁移率和非线性特征。

这一新标准对于半导体行业和其他一些行业将大大促进纳米材料和电子器件的商用进程。对于准备购买碳纳米管的用户而言，当谈及他们即将购买的产品电气特性和质量时，这一新标准将使他们与制造商们有了共同的语言。

对脉冲测试的需求

在器件研发过程中，诸如单电子晶体管（SET）、传感器和其他一些实验性器件常常表现出独特的特性。在不损害任何一种结构的情况下对这些特性进行分析需要能够严格控制电源的测试系统，以防止器件过分自热。

随着器件尺寸不断缩小，我们愈发需要新的测试技术。也就是说，随着器件变小，测试方法也在发生变化。我们在测试器件时不能再施加大量的电流。大电流会对元件造成不可逆转的损害。

我们需要的是更短的猝发能量。这就是脉冲测试。我们需要测试仪器能够提供只有几纳秒宽度的极短时间脉冲，并且要能够紧密控制诸如上升时间、下降时间、脉冲宽度、电压和电流大小等参数，这样的仪器将大大有助于工程技术人员和科学家开展前沿技术研究。

此外，电压脉冲能够产生比电流脉冲更窄的脉宽，因此它常用于一些诸如热传输之类的实验中，其中我们关心的时间窗口常常不足几百纳秒。高幅值精度和可编程的上升与下降时间对于准确控制传递给纳米器件的能量是必需的。

因此，人们对脉冲电源的需求与日俱增。这一需求部分来源于当前电子电路越来越快的工作速度。工作速度的提高要求测试设备产生模拟时钟和数据信号的速度达到电路真正运行的速度。此外，这些电路中模拟元件在较高速度下具有不同的特性，因此不能在直流下采用传统的直流测试方法对他们进行特征分析。

随着元件变得越来越小，人们对脉冲测试技术的需求也变得日益迫切。较小的器件更容易受到自热效应的影响，自热能够破坏或损害它对测试信号响应的部分变化，掩盖用户试图寻找的响应。脉冲测试常用于纳米电子器件的特征分析中。

脉冲发生器尤其有助于纳米材料的特征分析，其中包括瞬态分析和应力测试。