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Transcription:

吉 时 利 为 电 化 学 测 试 方 法 和 应 用 开 发 的 仪 器 应 用 文 章 吉 时 利 仪 器 拥 有 60 多 年 的 专 业 测 量 经 验, 是 先 进 的 电 子 测 试 仪 器 领 域 的 世 界 领 导 者 我 们 的 客 户 都 是 各 种 研 究 和 工 业 应 用 中 的 科 学 家 和 工 程 师, 包 括 许 多 电 化 学 测 试 吉 时 利 制 造 的 产 品 能 够 准 确 地 输 出 和 测 量 电 流 和 电 压 采 用 吉 时 利 仪 器 的 电 化 学 领 域 包 括 电 池 和 能 量 存 贮 腐 蚀 科 学 电 化 学 沉 积 有 机 电 子 光 电 化 学 材 料 研 究 传 感 器 及 半 导 体 材 料 和 器 件 表 1 列 出 了 采 用 吉 时 利 产 品 的 部 分 测 试 方 法 和 应 用 表 1. 电 化 学 测 试 方 法 和 应 用 方 法 和 测 量 功 能 循 环 伏 安 测 量 线 性 扫 描 伏 安 测 量 开 路 电 压 电 位 测 量 电 阻 系 数 电 流 和 电 压 方 波 及 测 量 脉 冲 I-V 电 容 电 压 源 和 阱 电 流 和 电 压 测 量 DC 电 流 和 电 压 应 用 电 化 学 传 感 器 电 沉 积, 电 镀 ph 测 量 太 阳 能 电 池 离 子 选 择 电 极 电 池 充 放 半 导 体 器 件 特 性 分 析 电 化 学 蚀 刻 腐 蚀 科 学 纳 米 装 置 特 性 分 析

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使 用 Model 2450-EC 或 2460-EC 电 化 学 实 验 室 系 统 执 行 循 环 伏 安 测 量 2450-EC 和 Model 2460-EC 电 化 学 实 验 室 系 统 自 带 的 其 他 电 化 学 测 试 脚 本 有 : 开 路 电 位 测 量 电 位 脉 冲 和 方 波 及 电 流 测 量 电 流 脉 冲 和 方 波 及 电 位 测 量 计 时 电 流 和 计 时 电 位 这 些 系 统 还 包 括 一 条 电 化 学 转 换 电 缆, 带 有 一 套 鳄 鱼 夹, 用 户 可 以 简 便 地 连 接 仪 器 和 电 化 学 电 池 开 路 电 位 电 化 学 电 池 的 开 路 电 位 (OCP) 是 在 基 准 电 极 和 工 作 电 极 之 间 进 行 的 一 项 电 压 测 量 测 量 开 路 电 位 要 求 高 阻 抗 的 电 压 表, 在 对 电 池 不 应 用 电 流 或 电 压 的 情 况 下 测 量 电 压 由 于 输 入 阻 抗 高, 源 表 SMU 仪 器 特 别 适 合 4 线 配 置 下 的 OCP 测 量, 如 图 4 所 示 在 这 一 设 置 下, 仪 器 配 置 成 测 量 电 压, 输 出 0A 如 果 先 测 量 OCP, 后 执 行 循 环 伏 安 测 量, 那 么 在 测 量 之 间 不 需 要 手 动 重 新 排 列 任 何 测 试 线, 因 为 仪 器 可 以 在 内 部 自 动 改 变 功 能 2450-EC 和 2460-EC 标 配 一 个 测 试 脚 本, 可 以 执 行 开 路 电 位 测 量 导 体 和 半 导 体 - 输 出 电 流, 测 量 电 压 通 常 通 过 输 出 电 流, 在 4 线 配 置 中 测 量 经 过 样 本 的 电 位, 来 确 定 导 体 或 半 导 体 的 电 阻 系 数 4 线 配 置 最 大 限 度 地 降 低 了 导 线 和 接 触 电 阻, 减 少 了 其 对 测 量 准 确 度 的 影 响 这 种 配 置 ( 图 5) 使 用 两 条 线 输 出 电 流, 使 用 另 一 组 线 测 量 经 过 传 导 样 本 的 电 压 下 跌 样 本 中 的 电 压 下 跌 将 非 常 小, 因 此 使 用 吉 时 利 Model 2182A 纳 伏 表 来 进 行 测 量 图 5. 使 用 电 流 源 和 纳 伏 表 测 量 传 导 样 本 绝 缘 体 - 应 用 电 位, 测 量 泄 漏 电 流 一 般 通 过 对 未 知 电 阻 应 用 电 位, 然 后 测 量 得 到 的 泄 漏 电 流, 来 测 量 绝 缘 体 的 电 阻 系 数 这 是 一 种 2 端 子 测 试 体 积 电 阻 系 数 是 衡 量 直 接 经 过 材 料 的 泄 漏 电 流 的 指 标 表 面 电 阻 系 数 则 是 指 绝 缘 体 表 面 的 电 阻 图 6 是 体 积 电 阻 系 数 和 表 面 电 阻 系 数 的 电 路 图 图 4. 使 用 电 化 学 实 验 室 系 统, 测 量 电 化 学 电 池 的 开 路 电 位 电 阻 系 数 电 阻 系 数 是 量 化 材 料 对 电 流 流 动 反 作 用 力 的 一 个 基 本 指 标 确 定 材 料 电 阻 系 数 的 最 佳 技 术 视 涉 及 的 材 料 类 型 电 阻 幅 度 和 样 本 的 形 状 变 化 图 6. 体 积 电 阻 系 数 和 表 面 电 阻 系 数 测 量 图 www.keithley.com 3

应 用 文 章 这 些 高 电 阻 测 量 要 求 仪 器 能 够 测 量 超 低 电 流, 并 应 用 电 位 Model 6517B 静 电 计 / 电 压 源 和 Model 6487 皮 安 表 / 电 压 源 能 够 测 量 高 阻 抗 材 料 的 电 阻 系 数 这 些 仪 器 能 够 测 量 最 低 几 十 或 几 百 毫 微 安 的 电 流, 并 拥 有 一 个 内 置 电 压 源 在 测 量 超 高 电 阻 时, 一 定 要 正 确 屏 蔽 装 置 和 所 有 线 缆, 避 免 静 电 干 扰 的 影 响 电 位 测 量 电 位 测 量 需 要 测 量 两 个 电 极 之 间 的 电 位, 一 般 是 工 作 电 极 和 基 准 电 极 我 们 使 用 高 阻 抗 电 压 表 或 静 电 计 测 量 电 位 差, 因 此 任 何 电 流 流 动 都 可 以 忽 略 不 计 (i=0) 电 位 测 量 用 于 ph 测 量 及 使 用 离 子 选 择 电 极 进 行 的 电 压 测 量 等 应 用 这 些 电 位 测 量 通 常 使 用 两 个 电 极 和 一 个 高 阻 抗 电 压 表 进 行, 如 Model 6517B 或 Model 6514 静 电 计 ( 图 7) 某 些 传 感 器 基 于 有 机 电 子 器 件 或 纳 米 结 构 选 择 最 优 的 测 试 设 备 对 电 化 学 传 感 器 研 发 至 关 重 要 例 如, 测 量 电 位 传 感 器 的 输 出 可 能 要 求 超 高 阻 抗 电 压 表, 如 吉 时 利 静 电 计, 其 输 出 阻 抗 很 高 (>1014 欧 姆 ) 测 试 电 流 测 量 气 体 传 感 器 可 能 需 要 使 用 非 常 灵 敏 的 电 流 表, 如 皮 安 表 静 电 计 或 源 表 SMU 仪 器 图 8 显 示 了 简 单 的 电 流 测 量 气 体 传 感 器 在 气 体 接 触 工 作 电 极 (WE) 时, 会 发 生 化 学 反 应, 包 括 氧 化 或 还 原 反 应, 具 体 视 传 感 器 而 定 在 电 流 测 量 传 感 器 中, 电 流 在 反 电 极 (CE) 和 工 作 电 极 (WE) 之 间 流 动 电 流 输 出 使 用 灵 敏 的 电 流 表 测 得, 其 与 气 体 浓 度 有 关 在 必 要 时, 可 以 在 传 感 器 中 增 加 第 三 个 电 极, 即 基 准 电 极, 应 用 电 位 图 8. 源 表 SMU 仪 器 测 量 2 电 极 电 流 测 量 气 体 传 感 器 的 电 流 输 出 图 7. 测 量 两 个 电 极 之 间 电 位 差 的 静 电 计 电 化 学 传 感 器 电 化 学 传 感 器 用 于 各 行 各 业 的 各 种 应 用, 包 括 环 境 和 气 体 监 测 医 疗 应 用 ( 如 确 定 葡 萄 糖 浓 度 ) 以 及 汽 车 和 农 业 产 业 电 化 学 传 感 器 分 成 各 种 不 同 的 设 计, 可 以 有 两 个 或 三 个 电 极,, 可 以 是 电 位 测 量 传 感 器, 也 可 以 是 电 流 测 量 传 感 器, 还 可 以 是 电 压 测 量 传 感 器 太 阳 能 电 池 为 了 满 足 不 断 提 高 的 清 洁 能 源 需 求, 光 伏 研 究 人 员 正 在 努 力 改 善 电 池 效 率, 降 低 成 本 新 兴 技 术 包 括 染 料 敏 化 太 阳 能 电 池 有 机 太 阳 能 电 池 钙 钛 矿 太 阳 能 电 池 甚 至 3D 太 阳 能 电 池 分 析 太 阳 能 电 池 的 电 气 特 点 对 确 定 怎 样 以 最 小 损 耗 实 现 电 池 的 最 大 效 率 至 关 重 要 在 太 阳 能 电 池 上 执 行 的 部 分 常 见 电 气 测 试 中, 需 要 相 对 于 应 用 的 DC 电 压 测 量 电 流 和 电 容, 并 相 对 于 频 率 或 AC 电 压 测 量 电 容 某 些 测 试 要 求 脉 冲 式 电 流 电 压 测 量 这 些 测 量 通 常 在 各 种 光 线 强 度 和 温 度 下 进 行 可 以 从 这 些 测 量 中 提 取 重 要 的 装 置 参 数, 包 括 输 出 电 流 转 换 效 率 最 大 功 率 输 出 掺 杂 密 度 电 阻 系 数 等 等 图 9 是 可 以 从 太 阳 能 电 池 典 型 的 前 向 偏 置 I-V 4 www.keithley.com

使 用 Model 2450-EC 或 2460-EC 电 化 学 实 验 室 系 统 执 行 循 环 伏 安 测 量 电 流 曲 线 中 提 取 的 多 个 参 数, 包 括 最 大 电 流 (I max ) 短 路 电 流 (I sc ) 最 大 功 率 (P max ) 最 大 电 压 (V max ) 和 开 路 电 压 (V oc ) 图 11. Model 4200-SCS 参 数 分 析 仪 测 量 太 阳 能 电 池 的 前 向 偏 置 I-V 特 点 图 9. 光 伏 电 池 典 型 的 前 向 偏 置 I-V 曲 线 在 进 行 这 些 关 键 电 气 测 量 时,Model 4200-SCS 参 数 分 析 仪 之 类 的 仪 器 可 以 简 化 测 试 和 分 析 Model 4200-SCS 是 一 种 集 成 系 统, 包 括 进 行 DC 及 超 快 速 I-V 和 C-V 测 量 的 仪 器, 以 及 控 制 软 件 图 表 和 数 学 分 析 功 能 Model 4200-SCS 可 以 进 行 各 种 太 阳 能 电 池 测 量, 包 括 DC 和 脉 冲 电 流 电 压 电 容 电 压 电 容 频 率 驱 动 电 平 电 容 曲 线 (DLCP) 和 4 探 头 电 阻 系 数 图 10 显 示 了 一 块 太 阳 能 电 池 连 接 到 Model 4200- SMU 上 进 行 I-V 测 量 四 线 连 接 消 除 了 测 量 电 路 中 的 引 线 电 阻 一 旦 电 池 连 接 到 输 出 端 子 上,4200-SCS 的 交 互 软 件 可 以 简 便 地 设 置 电 压 扫 描, 自 动 生 成 I-V 曲 线, 如 图 11 所 示 的 光 伏 电 池 的 前 向 偏 置 I-V 曲 线 充 电 电 池 的 充 放 吉 时 利 源 表 SMU 仪 器 可 以 简 化 电 池 测 试, 因 为 它 们 能 够 同 时 输 出 和 测 量 电 流 和 电 压 这 些 仪 器 可 以 灵 活 地 输 出 和 接 收 电 流, 测 量 电 压 和 电 流, 为 电 池 充 放 测 试 提 供 了 完 美 的 解 决 方 案 对 这 一 测 试, 源 表 SMU 仪 器 的 端 子 采 用 4 线 方 式 连 接 到 电 池 上 ( 图 12), 以 消 除 引 线 电 阻 的 影 响 Model 2460 源 表 电 池 图 12. Model 2460 源 表 SMU 仪 器 的 图 形 显 示 器 上 显 示 的 电 池 放 电 结 果 + - 在 充 放 测 试 中, 仪 器 配 置 成 提 供 电 压, 测 量 电 流 尽 管 仪 器 配 置 成 提 供 电 压, 但 它 可 以 在 恒 定 电 流 模 式 下 运 行 图 13 显 示 了 充 放 测 试 中 简 化 的 电 路 图 图 10. 太 阳 能 电 池 连 接 到 Model 4200-SMU 参 数 分 析 仪 上 www.keithley.com 5

应 用 文 章 电 气 装 置 特 性 分 析 源 表 SMU 仪 器 和 Model 4200-SCS 参 数 分 析 仪 特 别 适 合 分 析 电 气 装 置 特 点, 因 为 它 们 可 以 输 出 和 测 量 电 流 和 电 压 除 包 含 多 台 SMU 仪 器 外, 参 数 分 析 仪 还 可 以 包 括 一 个 电 容 电 压 单 元 或 脉 冲 测 量 单 元 可 以 表 征 的 元 器 件 包 括 碳 纳 米 结 构 和 装 置 传 感 器 太 阳 能 电 池 有 机 半 导 体 器 件 和 其 他 结 构 图 13. 充 放 电 路 图 电 流 通 常 使 用 恒 定 电 流 充 电, 因 此 源 表 SMU 仪 器 配 置 成 把 电 压 源 设 置 为 电 池 的 额 定 电 压, 把 输 出 极 限 设 置 成 希 望 的 充 电 电 流 在 测 试 开 始 时, 电 池 电 压 小 于 仪 器 的 电 压 输 出 设 置 这 种 电 压 差 会 驱 动 电 流, 这 个 电 流 直 接 受 到 用 户 自 定 义 的 电 流 极 限 限 制 在 电 流 极 限 范 围 内, 仪 器 作 为 恒 定 电 流 源 工 作, 直 到 达 到 编 程 的 电 压 特 定 应 用 需 要 的 SMU 仪 器 数 量 取 决 于 装 置 的 端 子 数 量 和 要 求 的 测 量 在 图 15 所 示 的 有 机 FET (OFET) 实 例 中, 要 求 两 台 SMU 仪 器 分 析 器 件 特 性 在 这 种 情 况 下, 一 台 仪 器 (SMU1) 连 接 到 栅 极 端 子 上, 第 二 台 仪 器 (SMU2) 连 接 到 器 件 的 漏 极 端 子 上 OFET 的 源 极 端 子 连 接 到 公 共 位 置 通 过 使 用 SMU1 步 进 栅 极 电 压, 使 用 SMU2 扫 描 漏 极 电 压, 测 量 漏 极 电 流, 可 以 确 定 OFET 的 传 递 特 点 在 电 池 放 电 时, 源 表 SMU 仪 器 作 为 接 收 装 置 使 用, 因 为 它 耗 散 功 率, 而 不 是 供 电 仪 器 的 电 压 源 设 置 成 低 于 电 池 电 压, 电 流 极 限 设 置 成 放 电 速 率 在 启 用 输 出 时, 来 自 电 池 的 电 流 流 入 仪 器 的 Hi 端 子 结 果, 电 流 读 数 将 为 负 图 14 显 示 了 2500 mah 电 池 放 电 特 点 的 测 量 结 果 图 15. Model 4200-SCS 参 数 分 析 分 析 有 机 FET I-V 的 特 点 图 16 显 示 了 Model 4200-SCS 参 数 分 析 仪 测 量 和 绘 制 OFET 的 传 递 特 点 图 14. 使 用 Model 2460 测 量 的 2500 mah D 电 池 的 放 电 特 点 6 www.keithley.com

使 用 Model 2450-EC 或 2460-EC 电 化 学 实 验 室 系 统 执 行 循 环 伏 安 测 量 电 沉 积 可 能 要 求 使 用 恒 定 DC 电 流 或 电 压, 也 可 能 要 求 沉 积 时 间 受 控 的 脉 冲 式 或 步 进 式 信 号 除 提 供 电 流 或 电 压 外, 特 定 应 用 可 能 要 求 监 测 电 流 或 电 压 Series 2400 或 Series 2600B 源 表 SMU 仪 器 可 以 自 动 控 制 源 参 数, 并 监 测 电 路 中 得 到 的 电 流 或 电 位 可 以 使 用 从 仪 器 到 2 电 极 配 置 的 四 线 控 制, 消 除 引 线 电 阻 的 影 响 图 16. Model 4200-SCS 参 数 分 析 仪 测 量 的 OFET 的 传 递 特 点 注 :OFET 由 肯 特 州 立 大 学 提 供 Model 4200-SCS 参 数 分 析 仪 在 分 析 器 件 电 气 特 点 方 面 拥 有 许 多 优 势 这 种 可 以 配 置 的 测 试 系 统 能 够 简 化 灵 敏 的 电 气 测 量, 因 为 它 把 多 台 仪 器 整 合 到 一 个 系 统 中, 包 括 交 互 软 件 图 形 和 分 析 功 能 总 结 吉 时 利 仪 器 公 司 制 造 适 合 各 种 电 化 学 应 用 的 灵 敏 设 备, 包 括 伏 安 测 量 低 电 阻 系 数 和 高 电 阻 系 数 测 量 电 池 测 试 电 位 测 量 电 沉 积 电 气 装 置 特 性 分 析 以 及 涉 及 以 高 精 度 提 供 和 测 量 电 流 和 电 压 及 测 量 电 容 的 其 他 测 试 可 以 远 程 控 制 吉 时 利 仪 器, 自 动 完 成 测 试 同 步 和 定 时 控 制 电 沉 积 电 镀 电 沉 积 是 把 一 层 金 属 薄 膜 应 用 到 传 导 表 面 的 工 艺 这 一 工 艺 有 许 多 应 用, 包 括 装 饰 涂 层 防 腐 蚀 甚 至 纳 米 线 和 纳 米 结 构 铸 造 传 统 上, 这 一 工 艺 需 要 在 两 个 电 极 之 间 连 接 一 个 电 流 源, 一 个 阴 极, 一 个 阳 极 电 流 驱 动 金 属 离 子 从 阳 极 流 向 阴 极, 如 图 17 所 示 在 这 个 简 单 的 实 例 中,Model 6220 电 流 源 引 导 Ag+ 离 子 从 阳 极 吸 收 到 阴 极 图 17. 采 用 恒 定 电 流 源 的 电 镀 电 路 www.keithley.com 7

应 用 文 章 吉 时 利 为 电 化 学 测 试 方 法 和 应 用 提 供 的 产 品 吉 时 利 型 号 测 试 仪 器 说 明 测 试 方 法 / 应 用 2450-EC 2460-EC Series 2400 和 2600B 4200-SCS 电 化 学 实 验 室 系 统 源 表 源 测 量 单 元 (SMU) 仪 器 参 数 分 析 仪 6517B, 6514 静 电 计 6485, 6487 6220, 6221 2182A DMM7510, 2000, 2750, 2010 皮 安 表 ( 电 流 测 量 ) 电 流 源 ( 恒 电 流 ) 纳 伏 表 数 字 万 用 表 2450 或 2460 源 表 SMU 仪 器, 带 有 内 置 测 试 脚 本, 电 化 学 转 换 电 缆, 装 有 LabView 代 码 的 U 盘, 用 于 循 环 伏 安 测 量 SMU 仪 器 为 提 供 电 流 或 电 压 同 时 以 高 速 度 和 高 精 度 测 量 电 流 电 压 和 / 或 电 阻 提 供 了 高 度 精 密 解 决 方 案 全 面 集 成 的 模 块 化 参 数 分 析 仪, 分 析 材 料 和 器 件 的 电 气 特 点 直 观 的 软 件 可 以 方 便 地 提 取 参 数, 进 行 测 试 配 置 和 分 析 模 块 包 括 中 高 功 率 DC 超 快 速 脉 冲 式 DC 和 电 容 / 阻 抗 多 功 能 仪 器, 测 量 电 压 和 高 输 入 阻 抗 低 电 流 (<1pA) 电 荷 和 高 电 阻, 超 越 了 传 统 数 字 万 用 表 的 功 能 为 精 确 测 量 小 电 流 优 化 的 电 流 表 通 常 用 于 高 电 阻 测 量 中 高 电 阻 系 数, 泄 漏 电 流, 传 感 器 为 被 测 器 件 输 出 指 定 电 流, 并 应 用 该 电 流 要 求 的 任 何 电 压 而 设 计 的 仪 器 为 提 供 纳 伏 灵 敏 度 优 化 的 电 压 表 从 低 源 电 阻 中 测 量 接 近 理 论 极 限 值 的 电 压 多 功 能 测 量 仪 器 :DC 和 AC 电 压 和 电 流, 电 阻, 温 度 循 环 伏 安 测 量, 开 路 电 位, 电 位 脉 冲 和 方 波 及 电 流 测 量, 电 流 脉 冲 和 方 波 及 电 位 测 量, 计 时 电 流, 计 时 电 位, 电 池 充 放, 器 件 特 性 分 析, 电 位 测 量, 传 感 器, 电 沉 积, 纳 米 科 技, 电 化 学 蚀 刻, 太 阳 能 电 池, 腐 蚀, 电 阻 系 数 开 路 电 位, 电 池 充 放, 器 件 特 性 分 析, 电 位 测 量, 传 感 器, 电 沉 积, 纳 米 科 技, 电 化 学 蚀 刻, 太 阳 能 电 池, 腐 蚀, 电 阻 系 数 有 机 半 导 体 器 件 特 性 分 析, 碳 器 件 特 性 分 析, 泄 漏 电 流, 传 感 器, 太 阳 能 电 池, 纳 米 科 技, 电 阻 系 数, 电 位 测 量 电 位 测 量, 绝 缘 材 料 的 电 阻 系 数, 传 感 器,pH 测 量, 离 子 选 择 电 极 电 阻 系 数 ( 使 用 电 压 表 ), 电 沉 积, 传 感 器, 霍 尔 效 应 电 阻 系 数 ( 使 用 电 流 源 ), 超 低 电 压 输 出 特 点, 传 感 器, 霍 尔 效 应 电 阻 系 数, 传 感 器, 腐 蚀 8 www.keithley.com

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