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用歷史，從超聲波換能器到太陽能電池等各個領域都有它們的應用。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——同時還要減小組件的尺寸和重量。通過微調光伏、鐵電和壓電材料的化學組成和微觀結構，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，特別是它們的電學特性如何隨溫度變化而表現出的性能。本文將重點介紹兩個應用實例，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。

應用1：理解新型有機光伏的動力學特性

有機光伏（OPV）——使用基于碳的分子——多年來一直被視為大多數光伏裝置中使用的基于硅的技術的吸引人的替代品，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節(jié)的特性，如帶隙、透明度和顏色。OPV還應該更便宜地大規(guī)模生產，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），并且關于壽命的數據有限，OPV長期以來，實際應用中一直被認為是效率不夠或穩(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領導，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-空穴對雙分子復合的動力學（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，2021年，14:6484-6493）。盡管作為一個概念相對成熟，但這種動力學研究在迄今為止的實踐中證明JiJu挑戰(zhàn)性，特別是在現實世界條件下。

圖1：斯旺西大學工作中使用的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置中。圖片顯示了允許測量電學特性的針探頭。

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到的最佳厚結性能——16.2%的功率轉換效率，300納米的結。這很重要，因為高效率和厚結的結合對于能夠使用高吞吐量沉積技術（如“卷對卷"方法，這些方法難以實現均勻的薄膜厚度小于100納米）大規(guī)模制造基于OPV的設備至關重要。團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。

應用2：對鐵電和壓電材料進行低噪聲測量

由于其獨Te的特性，鐵電和壓電材料在許多研究和商業(yè)應用中發(fā)揮著關鍵作用。鐵電材料即使在外部電場為零時也表現出自發(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力時產生內部電場，反之亦然，當施加電場時會發(fā)生變形——使它們在生成和檢測聲波的設備中特別有價值。

鐵電和壓電材料的應用不勝枚舉，今天它們可以在各種電子設備中找到，包括音頻設備、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需要最小化電噪聲——并非所有溫度控制系統(tǒng)都能適應這一點。在研究薄膜時，這個問題尤其嚴重，即使是小量的噪聲也可能導致不準確的結果。

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確測量電響應。

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對薄鐵電和壓電電容器進行電學性能的測量。此外，該系統(tǒng)還可以容納高達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，并擴大其應用范圍。

溫度控制臺：提供更詳細的圖像

總之，這些例子表明，在精確的溫度控制下進行光伏、鐵電和壓電材料的電學性能測量，可以使研究人員更容易獲得關于它們特性的更深度的信息。這些臺除了提供進行電測量所需的連接或探頭外，還提供調查氣體凈化、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備集成，包括用于理解晶體結構和表面組成的X射線散射，用于化學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)的光學顯微鏡。

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