一文全解！纳米材料电学性能表征技术及测试方案

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由该尺度范围作为基本结构单元构成的材料，由于其本身特有的不同于一般体材料和单个分子的特殊性质，包括体积效应、表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等，所展现出巨大的应用前景成为人们关注的一个焦点，科学家们常常把这一类新型材料誉为“21世纪Z有潜力的材料”。

碳纳米管具有优异的机械性能和电化学性能，一直在各领域备受关注。在锂电池的应用中，碳纳米管作为电极时，其独特的网络结构不仅能够有效地连接更多的活性物质，出色的电导率也可以大幅降低阻抗。电导率及循环伏安法是表征电极材料电性能的重要手段，循环伏安法测试过程中，使用较多的是三电极系统和两电极体系。

图：循环伏安法测试系统架构

图：循环伏安法测试曲线

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种使用氢气和氧气作为燃料的电池，通过化学反应生成水，并产生电能。双极板（Bipolar plate，以下简称BP）是燃料电池的一种核心零部件，主要作用为支撑MEA，提供氢气、氧气和冷却液流体通道并分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量，常见的材料有石墨、复合材料和金属。作为核心部件，体电阻率测试是双极板材料性能的重要表征技术之一。

图：体电阻率测试系统架构

压敏电阻又称变阻器、变阻体或突波吸收器，其电阻会随外部电压而改变，因此它的电流-电压特性曲线具有显著的非线性：

- 在阈值电压以下，压敏电阻的阻值很高，相当于开路；

- 超过阈值电压后，压敏电阻的阻值大大降低，吸收瞬间的能量。

压敏电阻的电学特性主要包括压敏电压、漏电流、封装耐压、响应度等方面。由于器件本身耐压高，测试需要高压，同时需要nA级小电流测量能力，推荐使用普赛斯P系列脉冲源表或E系列高电压源测单元，P系列脉冲源表具备300V高压，小电流低至1pA；E系列高压源测单元Z大电压高达3500V、Z小电流低至1nA。

图：P系列高精度台式脉冲源表

图：E系列高电压源测单元

纳米发电机是基于规则的氧化纳米线，在纳米范围内将机械能、热能等转化为电能，是世界上Z小的发电机。目前主要包括：摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、热释电纳米发电机、静电纳米发电机以及温差发电机等。

由于纳米发电自身的技术原因，在测试时具有电流信号微弱（低至μA甚至nA级）；内阻大，开路电压很难测准；信号变化快，难以捕获电压或电流峰值等特点。推荐使用普赛斯S系列直流源表、P系列脉冲源表或CS系列插卡式多通道源表，搭配上位机软件，可实现纳米发电材料输出电压以及输出电流随时间变化的曲线：V-t、I-t等，适用于摩擦发电、水伏发电、温差发电等纳米发电研究领域。

图：纳米水伏发电测试系统架构

图：纳米温差发电测试系统架构

有机场效应晶体管（OFET）是一种利用有机半导体组成的场效应晶体管。一般由栅极、绝缘层、有机有源层、源/漏电极构成。主要性能指标有迁移率、开关电流比、阈值电压三个参数，通常用输出特性曲线和转移特性曲线来表征。推荐使用普赛斯SPA6100半导体参数分析仪来进行I-V测试以及C-V测试，可以用来获取器件的输出转移特性、栅极漏电流、漏源击穿电压等参数；C-V测试可以确定二氧化硅层厚度dox、衬底掺杂浓度N以及固定电荷面密度Qfc等参数。

图：SPA6100半导体参数分析仪

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