如何精確表征柔性電子的電學性能？

近年來，由于導電高分子材料研究的突破，有機材料從傳統(tǒng)的絕緣體變成可導電的半導體，柔性電子應運而生。柔性電子是將有機或無機材料制作在柔性可拉伸基板上的新電子制備技術，可使材料在彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、拉伸等連續(xù)機械變形下仍然保持較高的電學特性，整合了光、電、感測等功能。

柔性薄膜材料電性能表征

柔性電子作為一個新興快速發(fā)展的行業(yè)，開發(fā)高性能、高穩(wěn)定性的柔性材料和器件是當前的重點。隨著二維納米材料及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，微米級柔性電子成為研究的重要趨勢之一，許多制備、測試、分析過程中的難題在柔性電子研究領域也變得越來越突出，其中最關鍵的挑戰(zhàn)就是精確測量這些小型化材料、器件的電學性能。

柔性薄膜材料的厚度尺寸一般小于1μm，在集成電路、太陽能電池、生物傳感器等領域應用廣泛。表面電阻率是評估柔性薄膜材料電學性能的重要手段之一，有助于了解材料的物理、化學性質(zhì)，從而優(yōu)化制備工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

柔性薄膜材料表面電阻率測試通常采用四探針測量法，通過在材料上放置兩對等間距電極（內(nèi)電極和外電極）,外電極注入電流，電流流經(jīng)材料在內(nèi)電極上會產(chǎn)生一定的電壓差，通過測量電壓差和流經(jīng)材料的電流，可以計算出材料的電阻率。

圖：四探針法測試柔性薄膜材料表面電阻率系統(tǒng)架構(gòu)

此外，柔性電子材料在使用過程中會被反復彎折扭曲，在此過程中材料表面和內(nèi)部的應力狀態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)都會逐漸發(fā)生變化，進而影響材料的電學性能和壽命，如何精確測試材料和器件的動態(tài)響應變得困難。

柔性電子材料動態(tài)測試

傳統(tǒng)的動態(tài)測試方案，需要搭配一臺電壓源、電流表進行人工測量,再手動算出阻值的變化，無法測試器件的動態(tài)連續(xù)變化過程，而且對于測量精度要求較高及與折疊裝置同步要求精度高的場景無法保證。

基于普賽斯高精度數(shù)字源表，搭配力學測試機臺，可以組合不同動作的測試夾具，模擬出拉、扭、彎、折、卷等5種基本動作，11個基礎模擬測試動作，并實時監(jiān)測材料的V-t、I-t以及R-t的變化曲線，實現(xiàn)一機多用，提升測試效率。

圖：柔性電子材料動態(tài)測試系統(tǒng)架構(gòu)

圖：普賽斯高精度數(shù)字源表選型

圖：柔性電子材料動態(tài)測試系統(tǒng)夾具

柔性電子材料典型應用及電性能測試方案

目前，柔性電子材料開創(chuàng)了全新的應用場景，在可穿戴設備、電子皮膚、柔性顯示、柔性傳感和人工智能等前沿領域的應用廣泛。與硅類材料相比，兼具了單位面積成本低的優(yōu)點。相關機構(gòu)統(tǒng)計，2019年全球柔性電子市場規(guī)模達到14.2億美元，預計到2025年將達到3049.4億美元，2019~2025年CAGR（復合年增長率）為144.71%。但是因為柔性電子材料應用和開發(fā)的歷史并不長，其中很多關鍵材料、關鍵裝備、核心技術仍需要改善和開發(fā)，特別是在高、精、尖裝備方面基礎薄弱，嚴重依賴進口，被制約風險較高。因此，采用可靠的技術手段和測試設備精確表征柔性電子材料的電學性能，將有效推動柔性電子材料的研究。

01、柔性QLED電性能表征

QLED是一種基于量子點電致發(fā)光原理的主動發(fā)光顯示技術，具有超薄、高色域、可柔性、高對比度等特點，在可穿戴設備及人工智能領域具有廣泛的應用前景。QLED的性能好壞主要關注發(fā)光性能（發(fā)射光譜、發(fā)光亮度、發(fā)光效率、發(fā)光色度和壽命）以及電性能（電流與電壓的關系、發(fā)光亮度與電壓的關系等）。其中，電流-電壓-亮度（IVL）指標是QLED器件的重要參數(shù)，通過普賽斯S系列直流源表或P系列脈沖源表，以及亮度計，即可實現(xiàn)QLED器件的IVL曲線、EQE等光電參數(shù)的測試。

圖：柔性QLED電性能表征系統(tǒng)架構(gòu)

02、導電水凝膠電性能表征

導電水凝膠將親水性基質(zhì)和導電介質(zhì)有機結(jié)合起來，是一類兼具良好的可加工性、較高柔韌性和優(yōu)異電化學性能的新型復合水凝膠，是未來柔性電子器件的理想材料。水凝膠的電性能可通過電導率以及應變響應特性進行表征。電導率測試常用上文所述的四探針法進行測試，優(yōu)勢在于分離電流和電壓電極，消除布線及探針接觸電阻的阻抗影響。應變響應特性測試采用普賽斯S或P系列源表以及拉伸測試機臺實現(xiàn)。

對于離子型導電水凝膠，直流模式下，導電離子會在水凝膠與電極界面處聚集，引起信號突變及基線漂移等問題。普賽斯P系列脈沖源表可提供最窄200μs脈沖測試電壓或電流，消除因直流電場引起的離子聚集的影響。

圖：導電水凝膠應變性能測試系統(tǒng)架構(gòu)

03、場效應晶體管生物傳感器電性能表征

場效應晶體管生物傳感器又稱生物場效應晶體管傳感器(BioFET)，是基于MOSFET的結(jié)構(gòu)和原理，用生物參數(shù)離子敏感膜、電解質(zhì)溶液和參考電極代替 MOSFET 結(jié)構(gòu)中的金屬柵極而制成的傳感器，具有高靈敏度、響應速度快、不受樣品污染等優(yōu)點，廣泛應用在生命科學、環(huán)境監(jiān)測、食品檢測、臨床診斷等領域。

對BioFET傳感器進行測試，既能驗證傳感器的性能，更是快速檢測被測物生物學參數(shù)的重要手段。BioFET傳感器可將生物學參數(shù)轉(zhuǎn)換為可以直接測量的電信號（IV），因此I-V測試是表征BioFET傳感器性能的重要手段。I-V測試包括轉(zhuǎn)移特性測試（Ids-Vgs），輸出特性測試（Ids-Vds）以及漏源電流隨時間變化的Id-t測試。

推薦使用普賽斯SPA6100半導體參數(shù)分析儀來進行BioFET傳感器I-V測試，SPA6100基于模塊化的體系結(jié)構(gòu)設計，可以幫助用戶根據(jù)測試需要，靈活選配測量單元進行升級。產(chǎn)品支持最高1200V電壓、100A大電流、1pA小電流分辨率的測量，同時檢測10kHz至1MHz范圍內(nèi)的多頻AC電容測量。

圖：場效應晶體管生物傳感器測試系統(tǒng)架構(gòu)

圖：SPA6100半導體參數(shù)分析儀

結(jié)語

作為新興產(chǎn)業(yè)，柔性電子涉及新材料、新工藝及新設備等多個板塊。普賽斯立足于解決行業(yè)痛點，協(xié)同合作商共同打造全方位的柔性電子動靜態(tài)測試系統(tǒng)，并與多所高校密切合作，加速推動研究成果產(chǎn)業(yè)化。