二維金屬材料

近日中國科學(xué)院物理研究所張廣宇、杜羅軍團(tuán)隊(duì)通過范德華擠壓技術(shù)成功制備出原子級(jí)厚度的二維金屬材料（如鉍、錫、鉛等），實(shí)現(xiàn)了非層狀金屬在量子限域下的穩(wěn)定存在【1】?？蒲腥藛T觀察到了新的聲子模式、強(qiáng)烈增強(qiáng)的電導(dǎo)率、具有p型行為的顯著場(chǎng)效應(yīng)和大的非線性霍爾電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)證明單層鉍材料展現(xiàn)出9.0×10?S/m 的室溫電導(dǎo)率，較塊體材料提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，并觀測(cè)到巨非線性霍爾響應(yīng)（σ2ω≈0.22μm V?1Ω?1），為量子器件、柔性電子等領(lǐng)域開辟了新方向。

經(jīng)典二維材料以其原子級(jí)厚度、獨(dú)特的電學(xué)/機(jī)械性能和多樣的結(jié)構(gòu)，成為納米技術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)材料，和二維金屬材料相比在結(jié)構(gòu)、電學(xué)行為和穩(wěn)定性方面有較大不同。

正因?yàn)槎S金屬材料展現(xiàn)的特性，使得量子器件及其機(jī)理有可能產(chǎn)生新的突破，基于單層鉍的平帶特性與強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng)，其巨非線性霍爾響應(yīng)為量子計(jì)算中的 Berry 曲率調(diào)控提供了理想平臺(tái)。并且二維金屬的高電導(dǎo)率（9.0×10?S/m）與低功耗調(diào)控特性，使其成為超薄互聯(lián)或高頻晶體管溝通的核心材料。

二維材料電學(xué)測(cè)試和表征及主要測(cè)試設(shè)備主要包括：

? 四探針法測(cè)試方塊電阻：6517或4200A

? TLM測(cè)試接觸電阻率、載流子遷移率：DAQ 7510或者SMU

? Hall Bar測(cè)試：6221/2182A

? 開關(guān)比、閾值電壓、功耗等通用半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試：4200A

Hall測(cè)試是研究二維材料電輸運(yùn)的重要測(cè)試手段，通過將材料設(shè)計(jì)成Hall Bar的結(jié)構(gòu)，在外加磁場(chǎng)下，在不同溫度下對(duì)Hall電阻進(jìn)行高精度的測(cè)量。由于二維材料有著非常奇異的特性，諸如量子Hall效應(yīng)、量子反常Hall效應(yīng)、自旋Hall效應(yīng)、非線性Hall效應(yīng)(NLHE)等測(cè)試，逐漸揭示了時(shí)間反演和對(duì)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(cè)、量子測(cè)量、新型計(jì)算等開辟新的途徑。

上圖【2】為典型的Hall Bar結(jié)構(gòu)，用于測(cè)量Hall電阻，并通過nH=-(1/e)(dRxy/dB)-1推推導(dǎo)載流子密度，該函數(shù)nH是底柵的函數(shù)，因此在測(cè)試中需要對(duì)底柵bg增加一個(gè)可控的Vbias。

上如圖為T=1.5K時(shí)，nH在Vbg=62V和18.5V時(shí)改變符號(hào)，對(duì)應(yīng)著f=0和f=-1價(jià)全滿的狀態(tài)【3】。

二維材料中Hall測(cè)試的挑戰(zhàn)

■1. 特殊的測(cè)試條件:一般條件下，被測(cè)樣品被放置在低溫(通常是超導(dǎo))及磁場(chǎng)環(huán)境中，其低溫最低可達(dá)0.1mK，磁場(chǎng)可高達(dá)16T。在極端條件下，磁場(chǎng)可達(dá)幾十特斯拉脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，壓力可達(dá)數(shù)GPa。PPMS可以提供一般條件下的測(cè)試環(huán)境，在此環(huán)境下，測(cè)試電纜連線需考慮熱效應(yīng)及對(duì)測(cè)試結(jié)果的誤差因素。

■2. 需要極小或極大電阻的測(cè)試:在超導(dǎo)條件下，被測(cè)樣品電阻可能低至nΩ級(jí)。而極端情況下，被測(cè)樣品電阻可能高達(dá)GΩ級(jí)，通常的阻抗測(cè)試方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

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

為應(yīng)對(duì)電輸運(yùn)測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)，必須添加高精度適合極低電平測(cè)試的儀器體為必要的補(bǔ)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(jì)組合為代表的Delta模式是兩種主要的應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的方法，兩種方法的框圖如下：

圖：AC法和Delta法測(cè)試原理

6221/2182A組合的Delta模式可以提供準(zhǔn)直流電流反向技術(shù)的測(cè)量和計(jì)算，以消除溫差電動(dòng)勢(shì)的影響，每個(gè)Delta讀數(shù)都是根據(jù)一個(gè)通道的兩個(gè)電壓測(cè)量結(jié)果計(jì)算而來；一個(gè)測(cè)量電流源的正相，一個(gè)測(cè)量負(fù)相，從而使噪聲降低1000倍。

AC法和 Delta 模式法各有優(yōu)勢(shì)，相輔相成，一般在電輸運(yùn)測(cè)試時(shí)都配置。下圖示意出兩者應(yīng)用范圍：

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

根據(jù)Hall Bar的結(jié)構(gòu)，測(cè)試組網(wǎng)需要一下信號(hào)的激勵(lì)與采集：

■SD方向的電流注入

■Vxx方向的電壓采集，用于測(cè)試材料本體的電導(dǎo)率σxx

■Vxy方向電壓采集，用于測(cè)試材料霍爾電阻σxy

通常情況下，Vxx和Vxy需要同時(shí)測(cè)量，特別是在一些拓?fù)浣^緣體和自旋材料的研究中，需要觀測(cè)到在磁場(chǎng)下或自身磁性影響下能帶劈裂后呈現(xiàn)量子化的霍爾電阻和相對(duì)應(yīng)的體電阻的變化，用于判定材料是否滿足拓?fù)浣^緣體的性質(zhì)【4】。

一臺(tái)2182A配備兩個(gè)電壓采集通道，可以同時(shí)采集Vxx和Vxy，配合6221產(chǎn)生的高精度電流，可以方便、準(zhǔn)確的完成Hall測(cè)試。

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

方案優(yōu)勢(shì)

100fA~100mA電流輸出，1nV電壓測(cè)試靈敏度，高達(dá)10nΩ電阻測(cè)量靈敏度

泰克獨(dú)有的TSP LINK連接6221/2182A，自動(dòng)完成 Delta模式測(cè)試

Delta模式可降低噪聲1000倍

多型號(hào)高精度SMU供激勵(lì)源選擇

領(lǐng)先的AWG為高頻輸運(yùn)特性研究提供強(qiáng)力支持

電輸運(yùn)測(cè)試領(lǐng)域普遍采用