提高電子材料的測量，提升器件的性能

光伏、鐵電和壓電材料因其一系列zhuo越的特性而擁有悠久的電氣應(yīng)用歷史，從超聲波換能器到太陽能電池等各個領(lǐng)域都有它們的應(yīng)用。但也面臨不斷提高性能的壓力，本文將探討如何通過精確控制電學(xué)測量時的溫度，幫助研究人員提高對這些材料的理解。

隨著對微電子需求的不斷增長，電子設(shè)計和開發(fā)工程師被要求開發(fā)具有更好特性的材料。這些特性包括提高信號強度、降低能耗或更好的環(huán)境資質(zhì)——同時還要減小組件的尺寸和重量。通過微調(diào)光伏、鐵電和壓電材料的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，可以找到解決這些挑戰(zhàn)的許多方案。

但要做到這一點，需要深入理解它們的特性，特別是它們的電學(xué)特性如何隨溫度變化而表現(xiàn)出的性能。本文將重點介紹兩個應(yīng)用實例，其中能夠精確控制材料在測量過程中的溫度，對理解其特性做出了重要貢獻(xiàn)。

應(yīng)用1：理解新型有機光伏的動力學(xué)特性

有機光伏（OPV）——使用基于碳的分子——多年來一直被視為大多數(shù)光伏裝置中使用的基于硅的技術(shù)的吸引人的替代品，這得益于它們的低重量、能夠形成薄而柔韌的薄膜以及可調(diào)節(jié)的特性，如帶隙、透明度和顏色。OPV還應(yīng)該更便宜地大規(guī)模生產(chǎn)，并且有可能比硅光伏提供更低的環(huán)境影響。

然而，OPV的最大效率大約為11%（相比之下，The best無機光伏為30%左右），并且關(guān)于壽命的數(shù)據(jù)有限，OPV長期以來，實際應(yīng)用中一直被認(rèn)為是效率不夠或穩(wěn)定性不足。幸運的是，新材料正在改變這一點，英國斯旺西大學(xué)的研究人員一直在開發(fā)新工具以更好地理解它們在不同溫度條件下的特性。

這項工作由物理系的Dr. Wei Li and Professor Ardalan Armin領(lǐng)導(dǎo)，他們開發(fā)了一種在不同溫度下測量量子效率的新方法。他們的設(shè)置，包括一個溫度控制臺（圖1），使他們能夠研究OPV系統(tǒng)中電子-空穴對雙分子復(fù)合的動力學(xué)（見W. Li等人，具有接近Perfect(Wanmei)電荷生成效率的有機太陽能電池，能源與環(huán)境科學(xué)，2021年，14:6484-6493）。盡管作為一個概念相對成熟，但這種動力學(xué)研究在迄今為止的實踐中證明JiJu挑戰(zhàn)性，特別是在現(xiàn)實世界條件下。

圖1：斯旺西大學(xué)工作中使用的LTS420E-PB4溫度控制臺。除了工作所需的溫度控制精度（此型號的穩(wěn)定性為<0.1°C），這種臺的緊湊性便于輕松集成到分析設(shè)置中。圖片顯示了允許測量電學(xué)特性的針探頭。

他們使用這個溫度控制系統(tǒng)獲得的理解使他們能夠開發(fā)出聚合物-非富勒烯OPV混合物，這是迄今為止任何二元有機太陽能電池所達(dá)到的最佳厚結(jié)性能——16.2%的功率轉(zhuǎn)換效率，300納米的結(jié)。這很重要，因為高效率和厚結(jié)的結(jié)合對于能夠使用高吞吐量沉積技術(shù)（如“卷對卷"方法，這些方法難以實現(xiàn)均勻的薄膜厚度小于100納米）大規(guī)模制造基于OPV的設(shè)備至關(guān)重要。團(tuán)隊希望他們的研究將有助于鋪平道路，使OPVs更容易工程化，具有比迄今為止可能的更好的特性，同時克服基于硅系統(tǒng)的劣勢。

應(yīng)用2：對鐵電和壓電材料進(jìn)行低噪聲測量

由于其獨Te的特性，鐵電和壓電材料在許多研究和商業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鐵電材料即使在外部電場為零時也表現(xiàn)出自發(fā)的電極化，這種極化可以通過相反方向施加的足夠強的電場來切換——這意味著材料保留了早期電場的“記憶"。壓電材料在受到機械應(yīng)力時產(chǎn)生內(nèi)部電場，反之亦然，當(dāng)施加電場時會發(fā)生變形——使它們在生成和檢測聲波的設(shè)備中特別有價值。

鐵電和壓電材料的應(yīng)用不勝枚舉，今天它們可以在各種電子設(shè)備中找到，包括音頻設(shè)備、手機、醫(yī)療診斷儀器、相機和傳感器等。對這些材料的需求也在增長，隨之而來的是需要在各種條件下，特別是溫度下理解它們的特性。

然而，這提出了一個問題，因為測量鐵電和壓電材料微小的電響應(yīng)需要最小化電噪聲——并非所有溫度控制系統(tǒng)都能適應(yīng)這一點。在研究薄膜時，這個問題尤其嚴(yán)重，即使是小量的噪聲也可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確的結(jié)果。

幸運的是，解決方案是噪聲最小化的溫度控制臺（圖2）。接地樣品臺和室外殼使溫度控制室成為一個高效的法

拉第籠，屏蔽樣品免受環(huán)境電噪聲的影響。加上一個被動的陶瓷絕緣體來保持樣品，可以在非常低的水平上準(zhǔn)確測量電響應(yīng)。

圖2：一個鐵電/壓電測試儀與HFS600E-PB4溫度控制臺（右）的接口示例，提供0.1°C的精度以及高達(dá)2.5°C/s的溫度變化率。在這種情況下，系統(tǒng)可以在-195°C（或更低）至600°C的溫度下運行，在氣密環(huán)境中。

將鐵電和壓電測試設(shè)備與這樣的專用溫度控制臺耦合，允許在廣泛的溫度范圍內(nèi)對薄鐵電和壓電電容器進(jìn)行電學(xué)性能的測量。此外，該系統(tǒng)還可以容納高達(dá)300V的塊狀陶瓷或單晶——足以在最新的鈮鎂鈦酸鉛（PMN-PT）單晶執(zhí)行器上生成完整的電滯回線，以及測試單層或多層材料。

隨著將溫度控制納入鐵電和壓電測試的選項變得越來越為人所知，研究人員越來越欣賞評估溫度對其他電特性（如漏電和擊穿電壓）的影響的價值。因此，這種集成測量系統(tǒng)有助于研究人員更全面地了解這些材料的行為，使他們能夠開發(fā)更高效的鐵電和壓電材料，并擴大其應(yīng)用范圍。

溫度控制臺：提供更詳細(xì)的圖像

總之，這些例子表明，在精確的溫度控制下進(jìn)行光伏、鐵電和壓電材料的電學(xué)性能測量，可以使研究人員更容易獲得關(guān)于它們特性的更深度的信息。這些臺除了提供進(jìn)行電測量所需的連接或探頭外，還提供調(diào)查氣體凈化、控制真空或濕度影響的選項。

此外，這些溫度控制臺還可以與其他分析設(shè)備集成，包括用于理解晶體結(jié)構(gòu)和表面組成的X射線散射，用于化學(xué)身份信息的拉曼光譜和傅里葉變換紅外光譜，以及用于理解表面形態(tài)的光學(xué)顯微鏡。

有了這些工具，電子設(shè)計和開發(fā)工程師將比以往任何時候都更有能力改進(jìn)光伏、鐵電和壓電材料，從而利用這些有用的電子材料。