纳米电测量的实例分析I

碳纳米管的特性使得它们成为一种出色的电子元件材料[1]。图6示出了FET结构所使用的碳纳米管[2]。为了发现器件的I－V特性曲线[3]，建议采用有弱电流测量[4]功能的仪器。一种可用的典型仪器是信号源－测量一体化单元（SMU），它可以输出电压或电流信号，并分别对电流或者电压响应进行测量。让一个SMU对栅电压进行扫描，并用另一个SMU来控制源－漏电压，则可以测量出源－漏电流。请注意待测电流大小处于nA范围。对于大多数测量仪器而言，这往往是一个轻而易举能实现的任务，而且噪声也不成其为问题，但正如前面所讨论的那样，存在一个潜在的误差源。

 

图6：碳纳米管的特性使得它们成为一种出色的电子元件材料，正如图中所示的FET结构[5]。为了获取器件的I－V特性曲线[6]，建议采用具有低电流测量功能的仪器。
 
电子元件的自组装代表了电子制造领域的一个新的范式，导致了分子二极管[7]、开关或者存储器的研发。这些器件使用数百nA的电流，其测量是可行的，但是在某些特定情况下，待测电流处于数百pA的范围，这就要求测量工作更为谨慎。
 
单电子晶体管是一种新型的开关器件，它利用受控的电子隧穿效应来放大电流。其中一个金属电极上的电子行进到另一个电极上的唯一途径就是通过绝缘体的隧穿电流。因为隧穿是一个分立的过程，穿过隧道结的电荷是e（单个电子的电荷）的倍数。当栅极电压设置为零时，只会出现很小的隧穿。与隧穿相反的效应被称为库仑阻塞。栅电容上的电荷可以设置为电子电荷的非整数倍，因为在金属中输运的电荷是连续的。这种由电压控制的电流行为使得SET的工作非常类似于一个FET，不过是在小得多的尺度上实现的。
 
由于SET的行为特性的缘故，而且也因为仅涉及单个电子的运动，电流的测量值很小。随着栅电压从至少－5mV扫描至+5mV，电流水平上出现了截然分立的步进（库仑台阶）。这些电流的测量值都处在pA的范围上。
 
显然，该应用需要对弱电流的敏感能力，而且甚至需要很低的、具有mV分辨率的电压信号输出能力。当栅压以极低的电压步进在一定的范围上（很容易达到－100mV～+100mV）扫描，这一要求就意味着需要提供很大的数据存储容量，以便能捕捉到I－V特性曲线上的多个点。20，000个点以上的存储要求并非不可能。