高通量材料的表征方法技术

本发明专利技术涉及一种高通量材料的表征方法，包括电路设计步骤；材料‑电路混合制备步骤；材料性能参数计算步骤。本发明专利技术可实现对多个样品物理参数的快速扫描式测量，从而建立一种高效率的高通量材料表征方法。本发明专利技术将把测量电路和被测材料融为一体，使每个高通量材料单元作为电路的一部分，只有这样才能实现高精度、快速测量。本发明专利技术对于每一个样品，可以一次性测量多个物理性质，实现对多种物理参数的协同表征。采用范德堡法作为基本测量单元，通过设置适当的测量策略，该电路可实现电阻率、霍尔电压、载流子迁移率等参数的测量。

Characterization of high flux materials

【技术实现步骤摘要】
高通量材料的表征方法
本专利技术属于高通量材料领域，涉及材料性能参数的测量，尤其是一种高通量材料的表征方法。
技术介绍
高通量材料是指一次制备出包含不同组分的大量材料样品，通过并行处理的方法，快速获取不同材料的组分、微观结构和宏观性能等数据，从而建立三者的映射关系，最终实现快速的材料优选。在制备出高通量材料后，下一步工作是对材料性能参数进行测量，从而获得材料组分-宏观性能参数的映射表。需要说明，高通量材料通常是厚度在几十纳米到几十微米的薄膜材料。目前，基于光学方法的高通量表征技术蓬勃发展。如美国LawrenceBerkeleyNationalLaboratory集成微区X射线荧光和衍射系统，开发了微区瞬逝微波探针显微镜，空间分辨率达10μm，可以同时检测高通量材料的成分和结构。美国马里兰大学的L.Asinovski教授报告了基于椭偏面成像技术的整列样品表征方法，可实现对阵列样品厚度、折射率的高通量表征。除了面成像椭偏分析技术外，激光椭偏仪、阴极荧光计等均可实现高通量微区光学性质表征。虽然基于光学方法的高通量材料表征方法应用广泛，但也有一些不足之处。首先，不同材料的光谱特性不同，所以针对不同材料需要选择不同的光源和光谱手段；其次，通常电磁波不能穿透金属和极性介质，所以利用透射光的表征手段不能用于这些材料；最后，基于激光干涉、相位分析的测量手段对环境温度、湿度和振动稳定性要求非常高，这一定程度上制约了其大规模使用。基于电学方法的高通量表征技术发展比较晚。2005年，加拿大Dalhousie大学的K.C.Hewitt教授发展了一种利用28×28的探针阵列，然后通过触点接触的方式，对7×7薄膜样品库的电学性能进行了测量，每个样品有四个探针与其接触。美国海文国家实验室也制作了类似的，基于触点接触的测量系统。以色列BarIlan大学发展了一种利用一组探针，通过机电装置扫描的多样品测量方案。上述方法虽然可实现快速测量，但由于是通过触点接触的方式，接触电阻、探针几何尺寸等因素限制了样品尺寸不可能太小(他们单个样品尺寸为8mm×8mm)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种以并行电路为测量手段的高通量材料表征方法，实现对典型材料的电学性能表征。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是：一种高通量材料的表征方法，包括电路设计步骤；包括材料-电路混合制备步骤；包括材料性能参数计算步骤。而且，所述的电路设计步骤包括如下电路的设计：测量单元电路，采用范德堡法测量样品电学特性；选择电路，实现对单个样品的测量；接口电路，实现电路信号到计算机的转接。而且，所述的测量单元电路，包括U1单元，由AD524,0.1uf的电容，1000K的电阻构成，对采集到的电压信号进行1000倍的增益放大；包括U2、U3单元，是两个缓冲器，分别由两个AD795S构成，用于减小在运放输入端R1上的直流电压；包括U4单元，由AD630方波解调器构成，用于设计锁定放大器；包括U5单元，由AD711编程增益仪表放大器构成，其固定增益分别为1、10、100或1000，对数字输入端进行选择；包括U6单元，为双极性运算放大器，通过内部补偿的功能为皮安级电流提供增益；包括U7单元，为继电器，用于规避输入阻抗太低导致电路无法工作的情形。而且，所述的材料-电路混合制备步骤是采用电路制作工艺制作出并行测量电路部分，并预留好待测样品区域，然后通过材料高通量制备技术，将待测陈列样品直接制作于测量电路的指定位置。而且，所述的材料高通量制备技术为喷印合成法、多元体材扩散法、微机电结构法、微流体结构法、激光增材法。而且，所述的材料性能参数计算包括材料电阻计算，公式如下：式中，I为恒流源提供的电流，V1，V2分别是两次测量得到的电压值，f(V1/V2)为范德堡系数。而且，所述的材料性能参数计算步骤包括材料霍耳系数计算，公式如下：式中B为垂直于样品的磁感应强度。ΔVpn代表加磁场后P、N之间电位差的变化。I是粒子的电荷量，d为样品厚度。而且，所述的材料性能参数计算步骤包括材料迁移率计算，公式如下：式中，n和p分别为半导体材料中电子和空穴的浓度，μn和μp为电子和空穴的迁移率。q为电荷量，ρ为电阻率。本专利技术的优点和积极效果是：(1)材料表征的高并行：本专利技术为多路并行的测量电路，可实现对多个样品物理参数的快速扫描式测量，从而建立一种高效率的高通量材料表征方法。(2)材料-电路一体化：本专利技术将把测量电路和被测材料融为一体，使每个高通量材料单元作为电路的一部分，只有这样才能实现高精度、快速测量。(3)可表征参数丰富：本专利技术对于每一个样品，可以一次性测量多个物理性质，实现对多种物理参数的协同表征。采用范德堡法作为基本测量单元，通过设置适当的测量策略，该电路可实现电阻率、霍尔电压、载流子迁移率等参数的测量。(4)本专利技术提出的材料-电路混合结构，克服了传统触点接触电阻的影响，可以实现高精度测量；通过选择电路来实现样品的选择与接入，可实现快速测量；整个测量过程高度自动化，避免了人为因素的影响，保证了测量的一致性。(5)针对阵列式高通量样品，本专利技术发展了并行的12×12路范德堡测量电路，可实现对144个样品的3个物理参数的快速测量。附图说明图1为范德堡法测电阻率示意图；图2为单元信号采集电路图；图3为材料-电路混合结构示意图；图4为材料-电路混合结构制作的流程图；图5为范德堡法电路信号选择方案；图6为范德堡法电路测量方案。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施例对本专利技术作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本专利技术的保护范围。一种高通量材料的表征方法，包括测量电路设计步骤、材料-电路混合制备步骤、材料性能参数计算步骤。所述的测量电路设计步骤：采用范德堡法测量样品电学特性，利用四个接触良好的边缘测点，由四次电压、电流轮换测量即可得到样品的薄层电阻。图1为范德堡法的两种测试图形结构，其中交叉点为电压的测点。其中，图1(a)结构复杂，但测量精度最高，图1(b)测量精度较低，但结构简单。由于图1(a)型样品对形状精度要求较高，导致后期高通量样品制备复杂度大增加，在本专利技术中将根据材料表征的具体要求，进一步研究(a)、(b)两种电路的优劣，最终选定合理的电路形式。基于上述分析，设计了单元信号采集电路，该电路主要由仪表放大器和锁相放大器构成，如图2所示。其中U1单元由AD524,0.1uf的电容，1000K的电阻构成，主要负责对采集到的电压信号进行1000倍的增益放大。U2和U3单元是两个缓冲器，分别由两个AD795S构成，主要功能是减小在运放输入端R1上的直流电压；U4由AD630方波解调器构成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高通量材料的表征方法，其特征在于：/n包括电路设计步骤；/n包括材料-电路混合制备步骤；/n包括材料性能参数计算步骤。/n

【技术特征摘要】
1.一种高通量材料的表征方法，其特征在于：
包括电路设计步骤；
包括材料-电路混合制备步骤；
包括材料性能参数计算步骤。


2.根据权利要求1所述的高通量材料的表征方法，其特征在于：所述的电路设计步骤包括如下电路的设计：
测量单元电路，采用范德堡法测量样品电学特性；
选择电路，实现对单个样品的测量；
接口电路，实现电路信号到计算机的转接。


3.根据权利要求2所述的高通量材料的表征方法，其特征在于：所述的测量单元电路，
包括U1单元，由AD524,0.1uf的电容，1000K的电阻构成，对采集到的电压信号进行1000倍的增益放大；
包括U2、U3单元，是两个缓冲器，分别由两个AD795S构成，用于减小在运放输入端R1上的直流电压；
包括U4单元，由AD630方波解调器构成，用于设计锁定放大器；
包括U5单元，由AD711编程增益仪表放大器构成，其固定增益分别为1、10、100或1000，对数字输入端进行选择；
包括U6单元，为双极性运算放大器，通过内部补偿的功能为皮安级电流提供增益；
包括U7单元，为继电器，用于规避输入阻抗太低导致电路无法工作的情形。


4.根据权利要求1所述的高通量材料的表征方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志强，张桂英，刘烁，董建设，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：天津;12