提高电子材料的测量，提升器件的性能

提高电子材料的测量，提升器件的性能

光伏、铁电和压电材料因其一系列zhuo越的特性而拥有悠久的电气应用历史，从超声波换能器到太阳能电池等各个领域都有它们的应用。但也面临不断提高性能的压力，本文将探讨如何通过精确控制电学测量时的温度，帮助研究人员提高对这些材料的理解。

随着对微电子需求的不断增长，电子设计和开发工程师被要求开发具有更好特性的材料。这些特性包括提高信号强度、降低能耗或更好的环境资质——同时还要减小组件的尺寸和重量。通过微调光伏、铁电和压电材料的化学组成和微观结构，可以找到解决这些挑战的许多方案。

但要做到这一点，需要深入理解它们的特性，特别是它们的电学特性如何随温度变化而表现出的性能。本文将重点介绍两个应用实例，其中能够精确控制材料在测量过程中的温度，对理解其特性做出了重要贡献。

应用1：理解新型有机光伏的动力学特性

有机光伏（OPV）——使用基于碳的分子——多年来一直被视为大多数光伏装置中使用的基于硅的技术的吸引人的替代品，这得益于它们的低重量、能够形成薄而柔韧的薄膜以及可调节的特性，如带隙、透明度和颜色。OPV还应该更便宜地大规模生产，并且有可能比硅光伏提供更低的环境影响。

然而，OPV的最大效率大约为11%（相比之下，The best无机光伏为30%左右），并且关于寿命的数据有限，OPV长期以来，实际应用中一直被认为是效率不够或稳定性不足。幸运的是，新材料正在改变这一点，英国斯旺西大学的研究人员一直在开发新工具以更好地理解它们在不同温度条件下的特性。

这项工作由物理系的Dr. Wei Li and Professor Ardalan Armin领导，他们开发了一种在不同温度下测量量子效率的新方法。他们的设置，包括一个温度控制台（图1），使他们能够研究OPV系统中电子-空穴对双分子复合的动力学（见W. Li等人，具有接近Perfect(Wanmei)电荷生成效率的有机太阳能电池，能源与环境科学，2021年，14:6484-6493）。尽管作为一个概念相对成熟，但这种动力学研究在迄今为止的实践中证明JiJu挑战性，特别是在现实世界条件下。

图1：斯旺西大学工作中使用的LTS420E-PB4温度控制台。除了工作所需的温度控制精度（此型号的稳定性为<0.1°C），这种台的紧凑性便于轻松集成到分析设置中。图片显示了允许测量电学特性的针探头。

他们使用这个温度控制系统获得的理解使他们能够开发出聚合物-非富勒烯OPV混合物，这是迄今为止任何二元有机太阳能电池所达到的最佳厚结性能——16.2%的功率转换效率，300纳米的结。这很重要，因为高效率和厚结的结合对于能够使用高吞吐量沉积技术（如“卷对卷"方法，这些方法难以实现均匀的薄膜厚度小于100纳米）大规模制造基于OPV的设备至关重要。团队希望他们的研究将有助于铺平道路，使OPVs更容易工程化，具有比迄今为止可能的更好的特性，同时克服基于硅系统的劣势。

应用2：对铁电和压电材料进行低噪声测量

由于其独Te的特性，铁电和压电材料在许多研究和商业应用中发挥着关键作用。铁电材料即使在外部电场为零时也表现出自发的电极化，这种极化可以通过相反方向施加的足够强的电场来切换——这意味着材料保留了早期电场的“记忆"。压电材料在受到机械应力时产生内部电场，反之亦然，当施加电场时会发生变形——使它们在生成和检测声波的设备中特别有价值。

铁电和压电材料的应用不胜枚举，今天它们可以在各种电子设备中找到，包括音频设备、手机、医疗诊断仪器、相机和传感器等。对这些材料的需求也在增长，随之而来的是需要在各种条件下，特别是温度下理解它们的特性。

然而，这提出了一个问题，因为测量铁电和压电材料微小的电响应需要最小化电噪声——并非所有温度控制系统都能适应这一点。在研究薄膜时，这个问题尤其严重，即使是小量的噪声也可能导致不准确的结果。

幸运的是，解决方案是噪声最小化的温度控制台（图2）。接地样品台和室外壳使温度控制室成为一个高效的法

拉第笼，屏蔽样品免受环境电噪声的影响。加上一个被动的陶瓷绝缘体来保持样品，可以在非常低的水平上准确测量电响应。

图2：一个铁电/压电测试仪与HFS600E-PB4温度控制台（右）的接口示例，提供0.1°C的精度以及高达2.5°C/s的温度变化率。在这种情况下，系统可以在-195°C（或更低）至600°C的温度下运行，在气密环境中。

将铁电和压电测试设备与这样的专用温度控制台耦合，允许在广泛的温度范围内对薄铁电和压电电容器进行电学性能的测量。此外，该系统还可以容纳高达300V的块状陶瓷或单晶——足以在最新的铌镁钛酸铅（PMN-PT）单晶执行器上生成完整的电滞回线，以及测试单层或多层材料。

随着将温度控制纳入铁电和压电测试的选项变得越来越为人所知，研究人员越来越欣赏评估温度对其他电特性（如漏电和击穿电压）的影响的价值。因此，这种集成测量系统有助于研究人员更全面地了解这些材料的行为，使他们能够开发更高效的铁电和压电材料，并扩大其应用范围。

温度控制台：提供更详细的图像

总之，这些例子表明，在精确的温度控制下进行光伏、铁电和压电材料的电学性能测量，可以使研究人员更容易获得关于它们特性的更深度的信息。这些台除了提供进行电测量所需的连接或探头外，还提供调查气体净化、控制真空或湿度影响的选项。

此外，这些温度控制台还可以与其他分析设备集成，包括用于理解晶体结构和表面组成的X射线散射，用于化学身份信息的拉曼光谱和傅里叶变换红外光谱，以及用于理解表面形态的光学显微镜。

有了这些工具，电子设计和开发工程师将比以往任何时候都更有能力改进光伏、铁电和压电材料，从而利用这些有用的电子材料。