二維金屬材料

近日中國科學院物理研究所張廣宇、杜羅軍團隊通過范德華擠壓技術成功制備出原子級厚度的二維金屬材料（如鉍、錫、鉛等），實現了非層狀金屬在量子限域下的穩定存在【1】。科研人員觀察到了新的聲子模式、強烈增強的電導率、具有p型行為的顯著場效應和大的非線性霍爾電導率。實驗證明單層鉍材料展現出9.0×10?S/m 的室溫電導率，較塊體材料提升一個數量級，并觀測到巨非線性霍爾響應（σ2ω≈0.22μm V?1Ω?1），為量子器件、柔性電子等領域開辟了新方向。

經典二維材料以其原子級厚度、獨特的電學/機械性能和多樣的結構，成為納米技術領域的基礎材料，和二維金屬材料相比在結構、電學行為和穩定性方面有較大不同。

正因為二維金屬材料展現的特性，使得量子器件及其機理有可能產生新的突破，基于單層鉍的平帶特性與強關聯效應，其巨非線性霍爾響應為量子計算中的 Berry 曲率調控提供了理想平臺。并且二維金屬的高電導率（9.0×10?S/m）與低功耗調控特性，使其成為超薄互聯或高頻晶體管溝通的核心材料。

二維材料電學測試和表征及主要測試設備主要包括：

? 四探針法測試方塊電阻：6517或4200A

? TLM測試接觸電阻率、載流子遷移率：DAQ 7510或者SMU

? Hall Bar測試：6221/2182A

? 開關比、閾值電壓、功耗等通用半導體參數測試：4200A

Hall測試是研究二維材料電輸運的重要測試手段，通過將材料設計成Hall Bar的結構，在外加磁場下，在不同溫度下對Hall電阻進行高精度的測量。由于二維材料有著非常奇異的特性，諸如量子Hall效應、量子反常Hall效應、自旋Hall效應、非線性Hall效應(NLHE)等測試，逐漸揭示了時間反演和對稱性破缺下二維材料與三維體材料等巨大差異，為光電探測、量子測量、新型計算等開辟新的途徑。

上圖【2】為典型的Hall Bar結構，用于測量Hall電阻，并通過nH=-(1/e)(dRxy/dB)-1推推導載流子密度，該函數nH是底柵的函數，因此在測試中需要對底柵bg增加一個可控的Vbias。

上如圖為T=1.5K時，nH在Vbg=62V和18.5V時改變符號，對應著f=0和f=-1價全滿的狀態【3】。

二維材料中Hall測試的挑戰

■1. 特殊的測試條件:一般條件下，被測樣品被放置在低溫(通常是超導)及磁場環境中，其低溫最低可達0.1mK，磁場可高達16T。在極端條件下，磁場可達幾十特斯拉脈沖強磁場，壓力可達數GPa。PPMS可以提供一般條件下的測試環境，在此環境下，測試電纜連線需考慮熱效應及對測試結果的誤差因素。

■2. 需要極小或極大電阻的測試:在超導條件下，被測樣品電阻可能低至nΩ級。而極端情況下，被測樣品電阻可能高達GΩ級，通常的阻抗測試方法遠遠達不到要求。

■3. 需要測試極小電壓、電流及微分電導:此時信號往往淹沒在噪聲中，需要特殊的測試手法抑制噪聲，提取有效信號分量。

為應對電輸運測試面臨的挑戰，必須添加高精度適合極低電平測試的儀器體為必要的補充，該儀器必須具備去除噪聲的自力。以鎖相放大器為代表的的AC法和以Keithley 622x低電平電流源/2182A納伏計組合為代表的Delta模式是兩種主要的應對挑戰的方法，兩種方法的框圖如下：

圖：AC法和Delta法測試原理

6221/2182A組合的Delta模式可以提供準直流電流反向技術的測量和計算，以消除溫差電動勢的影響，每個Delta讀數都是根據一個通道的兩個電壓測量結果計算而來；一個測量電流源的正相，一個測量負相，從而使噪聲降低1000倍。

AC法和 Delta 模式法各有優勢，相輔相成，一般在電輸運測試時都配置。下圖示意出兩者應用范圍：

從上兩圖可以看出，鎖放可在更高頻率應用，比如脈沖測試，但鎖放較適合 100mΩ~1MΩ范圍的測試，而Delta 模式可測試更低電平的信號，也更適合低于100mΩ及大于1MΩ的電阻測試。

根據Hall Bar的結構，測試組網需要一下信號的激勵與采集：

■SD方向的電流注入

■Vxx方向的電壓采集，用于測試材料本體的電導率σxx

■Vxy方向電壓采集，用于測試材料霍爾電阻σxy

通常情況下，Vxx和Vxy需要同時測量，特別是在一些拓撲絕緣體和自旋材料的研究中，需要觀測到在磁場下或自身磁性影響下能帶劈裂后呈現量子化的霍爾電阻和相對應的體電阻的變化，用于判定材料是否滿足拓撲絕緣體的性質【4】。

一臺2182A配備兩個電壓采集通道，可以同時采集Vxx和Vxy，配合6221產生的高精度電流，可以方便、準確的完成Hall測試。

除了低電平測試儀器，通常電輸運測試還要配置SMU作為直流激勵源。特殊情況下還需要AFG作為交流激勵源，采集卡或示波器用于采集鎖放輸出信號。高頻輸運特性的研究是電輸運特性測試的發展方向，研究高頻輸運特性時，需配置帶寬達GHz的任意波形發生器。

方案優勢

100fA~100mA電流輸出，1nV電壓測試靈敏度，高達10nΩ電阻測量靈敏度

泰克獨有的TSP LINK連接6221/2182A，自動完成 Delta模式測試

Delta模式可降低噪聲1000倍

多型號高精度SMU供激勵源選擇

領先的AWG為高頻輸運特性研究提供強力支持

電輸運測試領域普遍采用