Transport Measurements
Anwendung Beschreibung
Elektrische Transportmessungen sind eine grundlegende Materialcharakterisierungstechnik, die Einblick in die Streumechanismen und die Bandstruktur von Festkörpermaterialien gibt. Der makroskopische Ladungsträgertransport, wie er von der Quantenmechanik beschrieben wird, ist eines der grundlegendsten Konzepte für elektronische Materialeigenschaften mit prominenten, gate-tunbaren Effekten in niedrigdimensionalen Systemen und bei niedrigen Temperaturen.
Die Abbildung unten zeigt typische 2- und 4-Terminal-Messkonfigurationen in einer Gated-Geometrie. Elektrische, optische oder thermische Anregungen werden an die Probe angelegt und in Spannungs- (V) oder Stromsignale (I) umgewandelt. Diese Messungen werden oft bei niedrigen Frequenzen mit erheblichem Hintergrundrauschen durchgeführt. Der Widerstand und der Leitwert der Probe werden aus den V- und I-Signalen als Funktionen eines externen Parameters wie Temperatur, Gate-Spannung oder Magnetfeldstärke abgeleitet.
Mess-Strategien
Die Wahl einer Messstrategie hängt von der Impedanz und der Geometrie der Probe ab. AC-Techniken mit Lock-in-Verstärkern bieten eine höhere Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und Dynamik sowie schnellere Messungen im Vergleich zu DC-Messungen, die auch anfällig für große systematische Fehler sind.
2-Terminal-Messungen
Diese Messungen werden typischerweise bei konstanter Spannung durchgeführt, um die Leitung durch das untersuchte Bauelement zu quantifizieren. Ein Beispiel für eine solche Messung ist die Messung des Leitwerts durch ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder einen Nanodraht, bei der eine konstante Spannung an die Probe angelegt wird und der Leitwert als I(gemessen)/V(angelegt) berechnet wird. 2-Kontaktmessungen sind einfach durchzuführen und werden in den folgenden Szenarien verwendet:
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Der Kontaktwiderstand kann in Bezug auf den Probenwiderstand vernachlässigt werden.
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Die Probe wird durch optische oder andere Mittel von außen angeregt.
4-Terminal-Messungen
Diese Messungen werden mit einem konstanten Strom durchgeführt, und der Widerstand des Geräts wird als Spannungsabfall über einem Teil der Probe geteilt durch den Strom berechnet.
Der Konstantstrom wird entweder über eine Konstantstromquelle oder einen strombegrenzenden Widerstand zugeführt; im letzteren Fall muss der Widerstand des strombegrenzenden Widerstands viel größer sein als der Probenwiderstand (Impedanz).
4-Kanal-Messungen können in der Hallbarren- oder Van-der-Paw-Geometrie durchgeführt werden. Sie sind im Vergleich zu 2-Terminal-Messungen aufwendiger im Aufbau und werden bevorzugt eingesetzt, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft:
- Die Impedanz der Probe ist klein.
- Es ist notwendig, den großen Übergangswiderstand aus den Materialeigenschaften herauszurechnen.
Mit dem Lock-in-Verstärker MFLI (aufgerüstet mit der Option MF-MD Multi-Demodulator ) erfüllt ein einziges Gerät alle erforderlichen Aufgaben: Messen des Stroms durch die Probe, bei Verwendung eines strombegrenzenden Widerstands, und des Spannungsabfalls über der Probe sowie Anlegen einer DC-Bias-Spannung für die Ansteuerung der Probe (im Falle von Gate-abhängigem Transport). DC- und AC-Anregungen werden extern gemischt, so dass das Potential über die Source-Drain-Elektroden angelegt wird.
Bei Gated-Strukturen ist es üblich, einen zweidimensionalen Plot des Leitwerts als Funktion der Source-Drain- und Back-Gate-Spannung zu rekonstruieren: Dies ist oft zeitaufwendig, da die Messungen bei niedrigen Frequenzen durchgeführt werden, wo signifikantes Rauschen die Messung aufgrund langer Zeitkonstanten verlangsamt. Das Entfernen einiger der führenden Rauschquellen - einschließlich Masseschleifen - und das Abstimmen der Messfrequenz weg vom Hintergrundrauschen kommt dieser Art von Messung sehr zugute.
Product Highlights
Die Vorteile der Wahl von Zurich Instruments
- Mit einem einzigen MFLI 500 kHz Lock-in-Verstärker können Sie Ihre Probe vollständig charakterisieren: Sie können dank der im Feld nachrüstbaren Option MF-MD gleichzeitig I und V bei DC und AC messen.
- Verwenden Sie den eingebauten Analogaddierer, um DC- und AC-Spannungsvorspannungen zu mischen und auszugeben.
- Mit der API-Sweeper-Funktionalität ist es auch möglich, mehrere Gate-Spannungs-Sweeps zu integrieren.
- Mit der Option MF-DIG Digitizer können Sie Rauschmessungen durchführen: Sie erhalten Signale im Zeit- und Frequenzbereich sowohl an I- als auch an V-Eingängen.
- Der batteriebetriebene MFLI ermöglicht rauscharme Messungen und erlaubt Ihnen, Masseschleifen zu entfernen.
- Die Messgeschwindigkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis können dank des integrierten Toolsets für die integrierte Analyse im Zeit- und Frequenzbereich von LabOne® verbessert werden.
