Messung des elektrischen Kontaktwiderstands bei Nano-Materialien
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Messung des elektrischen Kontaktwiderstands bei Nano-Materialien
Dieses Prüfverfahren zur Messung des elektrischen Kontaktwiderstands im Nanometerbereich nennt sich „nanoECR“, wurde entwickelt von der Hysitron, Inc., Minneapolis, und gestattet eine gleichzeitige In-situ-Messung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften unter kontrollierten Last- und Eindringtiefe-Bedingungen. Mit Hilfe des Verfahrens ist die zeitliche Korrelation mehrerer Messreihen möglich, beispielsweise von Kraft, Eindringtiefe, Strom und Spannung, so dass sehr viel mehr Informationen als mit konventionellen Nanometer-Messungen gewonnen werden können. Solche Messungen bilden damit die Grundlage für die Parameter-Extraktion bei unterschiedlichsten Nanometer-Materialien und -Bauteilen. Das nanoECR-System erleichtert die Forschung in diesen Bereichen und ermöglicht die Untersuchung von druckabhängigen Phasenübergängen, des Verhaltens von Dioden, Tunneleffekten oder piezoelektrischen Reaktionen.
Abhängig von den Prüfspitzen/ Proben-Bedingungen können sich die Strompegel im Bereich von pA bis mA, die Spannungen von μV bis V, die Prüfspitzenkräfte von nN bis mN und die Eindringtiefe der Prüfspitze vom Angström- bis in den μm-Bereich bewegen. Hinzu kommen zahlreiche technische Schwierigkeiten auf Grund der einzigartigen Geometrien und Größen der Nanometer-Kontakte.
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Deshalb wurde das erwähnte Prüfsystem entwickelt, welches das nanomechanische Testinstrument „Hysitron TriboIndenter“ mit einem zweikanaligen SourceMeter-Instrument Modell 2602 von Keithley Instruments kombiniert. Das System enthält zudem einen leitfähigen Probentisch, einen patentierten kapazitiven Messwandler (nanoECR) und eine leitfähige Indenter-Prüfspitze (Bild 1). Der kapazitive Messwandler (Transducer) maximiert die Testgenauigkeit und die Reproduzierbarkeit, da ein Stromfluss ohne die Befestigung einer externen Leitung an der Prüfspitze ermöglicht wird. Diese Messung „durch die Prüfspitze“ gewährleistet einen sicheren Kontakt und hilft, potentielle Fehlerquellen zu vermeiden.
Das System umfasst auch ein vollständig integriertes Datenerfassungssystem, das eine Echtzeit-Korrelation zwischen den Kraft/Eindringtiefe- und Strom/Spannungs-Messungen ermöglicht. Darüber hinaus lassen sich für Echtzeit-Messungen und die Extraktion anderer Parameter noch weitere Instrumente an dieses System anschließen. Die Anwenderschnittstelle ermöglicht eine einfache Einstellung aller Prüfvariablen unter verschiedenen Lastbedingungen und Eindringtiefen. Dies wird durch den integrierten Test-Script-Prozessor des Source-Meter-Instruments erleichtert, der Testfolgen automatisch ausführen, die Synchronisation anderer Hardware-Komponenten übernehmen und die Timing/Steuerungsprobleme zwischen den verschiedenen Teilen des Systems minimieren kann.
Anwendung des Prüfsystems
Bei einem Test wird die Prüfspitze in die Probenoberfläche eingedrückt, wobei die Eindringtiefe kontinuierlich überwacht wird. Die Härte der Probe und der Elastizitätsmodul lassen sich anhand der Kraft und Eindringtiefe sofort berechnen. Zur Messung der elektrischen Parameter legt das Source-Meter-Instrument eine Spannung an die leitfähige Messeinheit an, mit der das Testobjekt (Materialprobe) elektrisch verbunden ist. Beim Eindringen der leitfähigen Testspitze in das zu untersuchende Material werden Spannung, Strom, Kraft und Eindringtiefe kontinuierlich gemessen. Hinsichtlich Auflösung, Genauigkeit und Störpegel ist das Hysitron-nanoECR-System spezifiziert, wie in der Tabelle angegeben.
Die Erfassung der Betätigungskraft/ Eindringtiefe der Prüfspitze erfolgt durch den elektrostatisch-kapazitiv arbeitenden Sensor, der äußerst geringe Abweichungen und eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet. Die Wandler/Prüfspitzen-Kombination ist auf ein piezoelektrisches Positionierungssystem montiert, das mit Hilfe eines Rastersondenmikroskops (SPM) eine Betrachtung der Proben-Topographie und eine äußerst exakte Testpositionierung erlaubt.
Bei einer typischen Messung wird ein Kanal des SourceMeter-Instruments für die Quellen- und Messfunktionen genutzt, während der andere Kanal als ein Strom-Spannungsverstärker verwendet wird, der die Messdaten an den Steuerrechner überträgt. Die Steuer-Software erlaubt eine Einstellung und Messung der Absolutwerte des eingespeisten Stroms und der Spannung sowie die Durchführung von I-U-Messreihen über vordefinierte Kraft- oder Eindringtiefe-Punkte. Der Anwender kann alle Funktionen des SourceMeter-Instruments über die nanoECR-Programmschnittstelle steuern, so dass keine Parameter manuell am Instrument verändert werden müssen. Die Flexibilität der Software und automatische Prüfroutinen erlauben einen selbstständigen Betrieb und eine Prüfung selbst komplexer Proben, wobei die Prüfzeit von den jeweils definierten Variablen abhängt. Für eine typische Testfolge kann man ungefähr eine Minute veranschlagen.
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