如何精确表征柔性电子的电学性能?

2024-06-07

近年来,由于导电高分子材料研究的突破,有机材料从传统的绝缘体变成可导电的半导体,柔性电子应运而生。柔性电子是将有机或无机材料制作在柔性可拉伸基板上的新电子制备技术,可使材料在弯曲、折叠、扭转、拉伸等连续机械变形下仍然保持较高的电学特性,整合了光、电、感测等功能。


柔性薄膜材料电性能表征

柔性电子作为一个新兴快速发展的行业,开发高性能、高稳定性的柔性材料和器件是当前的重点。随着二维纳米材料及其异质结构的出现,微米级柔性电子成为研究的重要趋势之一,许多制备、测试、分析过程中的难题在柔性电子研究领域也变得越来越突出,其中最关键的挑战就是精确测量这些小型化材料、器件的电学性能。

柔性薄膜材料的厚度尺寸一般小于1μm,在集成电路、太阳能电池、生物传感器等领域应用广泛。表面电阻率是评估柔性薄膜材料电学性能的重要手段之一,有助于了解材料的物理、化学性质,从而优化制备工艺和提高产品质量。

柔性薄膜材料表面电阻率测试通常采用四探针测量法,通过在材料上放置两对等间距电极(内电极和外电极),外电极注入电流,电流流经材料在内电极上会产生一定的电压差,通过测量电压差和流经材料的电流,可以计算出材料的电阻率。

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图:四探针法测试柔性薄膜材料表面电阻率系统架构

此外,柔性电子材料在使用过程中会被反复弯折扭曲,在此过程中材料表面和内部的应力状态和微观结构都会逐渐发生变化,进而影响材料的电学性能和寿命,如何精确测试材料和器件的动态响应变得困难。


柔性电子材料动态测试

传统的动态测试方案,需要搭配一台电压源、电流表进行人工测量,再手动算出阻值的变化,无法测试器件的动态连续变化过程,而且对于测量精度要求较高及与折叠装置同步要求精度高的场景无法保证。

基于普赛斯高精度数字源表,搭配力学测试机台,可以组合不同动作的测试夹具,模拟出拉、扭、弯、折、卷等5种基本动作,11个基础模拟测试动作,并实时监测材料的V-t、I-t以及R-t的变化曲线,实现一机多用,提升测试效率。

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图:柔性电子材料动态测试系统架构

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图:普赛斯高精度数字源表选型

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图:柔性电子材料动态测试系统夹具


柔性电子材料典型应用及电性能测试方案

目前,柔性电子材料开创了全新的应用场景,在可穿戴设备、电子皮肤、柔性显示、柔性传感和人工智能等前沿领域的应用广泛。与硅类材料相比,兼具了单位面积成本低的优点。相关机构统计,2019年全球柔性电子市场规模达到14.2亿美元,预计到2025年将达到3049.4亿美元,2019~2025年CAGR(复合年增长率)为144.71%。但是因为柔性电子材料应用和开发的历史并不长,其中很多关键材料、关键装备、核心技术仍需要改善和开发,特别是在高、精、尖装备方面基础薄弱,严重依赖进口,被制约风险较高。因此,采用可靠的技术手段和测试设备精确表征柔性电子材料的电学性能,将有效推动柔性电子材料的研究。


01、柔性QLED电性能表征

QLED是一种基于量子点电致发光原理的主动发光显示技术,具有超薄、高色域、可柔性、高对比度等特点,在可穿戴设备及人工智能领域具有广泛的应用前景。QLED的性能好坏主要关注发光性能(发射光谱、发光亮度、发光效率、发光色度和寿命)以及电性能(电流与电压的关系、发光亮度与电压的关系等)。其中,电流-电压-亮度(IVL)指标是QLED器件的重要参数,通过普赛斯S系列直流源表或P系列脉冲源表,以及亮度计,即可实现QLED器件的IVL曲线、EQE等光电参数的测试。

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图:柔性QLED电性能表征系统架构


02、导电水凝胶电性能表征

导电水凝胶将亲水性基质和导电介质有机结合起来,是一类兼具良好的可加工性、较高柔韧性和优异电化学性能的新型复合水凝胶,是未来柔性电子器件的理想材料。水凝胶的电性能可通过电导率以及应变响应特性进行表征。电导率测试常用上文所述的四探针法进行测试,优势在于分离电流和电压电极,消除布线及探针接触电阻的阻抗影响。应变响应特性测试采用普赛斯S或P系列源表以及拉伸测试机台实现。

对于离子型导电水凝胶,直流模式下,导电离子会在水凝胶与电极界面处聚集,引起信号突变及基线漂移等问题。普赛斯P系列脉冲源表可提供最窄200μs脉冲测试电压或电流,消除因直流电场引起的离子聚集的影响。

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图:导电水凝胶应变性能测试系统架构


03、场效应晶体管生物传感器电性能表征

场效应晶体管生物传感器又称生物场效应晶体管传感器(BioFET),是基于MOSFET的结构和原理,用生物参数离子敏感膜、电解质溶液和参考电极代替 MOSFET 结构中的金属栅极而制成的传感器,具有高灵敏度、响应速度快、不受样品污染等优点,广泛应用在生命科学、环境监测、食品检测、临床诊断等领域。

对BioFET传感器进行测试,既能验证传感器的性能,更是快速检测被测物生物学参数的重要手段。BioFET传感器可将生物学参数转换为可以直接测量的电信号(IV),因此I-V测试是表征BioFET传感器性能的重要手段。I-V测试包括转移特性测试(Ids-Vgs),输出特性测试(Ids-Vds)以及漏源电流随时间变化的Id-t测试。

推荐使用普赛斯SPA6100半导体参数分析仪来进行BioFET传感器I-V测试,SPA6100基于模块化的体系结构设计,可以帮助用户根据测试需要,灵活选配测量单元进行升级。产品支持最高1200V电压、100A大电流、1pA小电流分辨率的测量,同时检测10kHz至1MHz范围内的多频AC电容测量。

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图:场效应晶体管生物传感器测试系统架构

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图:SPA6100半导体参数分析仪


结语

作为新兴产业,柔性电子涉及新材料、新工艺及新设备等多个板块。普赛斯立足于解决行业痛点,协同合作商共同打造全方位的柔性电子动静态测试系统,并与多所高校密切合作,加速推动研究成果产业化。





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