提(tí)高電(diàn)子(zǐ)材(cái)料(liào)的測(cè)量
，提(tí)升器(qì)件(jiàn)的(dí)性(xìng)能(néng)

光伏
，鐵電和壓(yā)電(diàn)材料因其一(yī)係列zhuo越的(dí)特(tè)性(xìng)而擁(yōng)有悠久的(dí)電氣應用(yòng)歷史
，從(cóng)超(chāo)聲波(bō)換能器(qì)到太陽(yáng)能電池等(děng)各個(gè)領域(yù)都(dū)有它們(mén)的應用。但(dàn)也(yě)麵(miàn)臨不(bù)斷提高(gāo)性能的(dí)壓(yā)力
，本文(wén)將(jiāng)探討(tǎo)如何(hé)通(tōng)過(guò)精(jīng)確控(kòng)製(zhì)電學測量時的溫度(dù)
，幫(bāng)助研究(jiū)人員(yuán)提高(gāo)對這些(xiē)材料(liào)的理解(jiě)。

隨(suí)著對(duì)微電(diàn)子需求的(dí)不斷增(zēng)長(cháng)
，電子設計和(hé)開(kāi)發工程(chéng)師(shī)被要(yào)求開發具有更好(hǎo)特性(xìng)的(dí)材(cái)料(liào)。這些特(tè)性包括提(tí)高信號(hào)強度
，降低(dī)能(néng)耗或更好的(dí)環境資(zī)質——同(tóng)時(shí)還要減小組件的尺寸(cùn)和重量(liáng)。通過微調光伏(fú)
，鐵(tiě)電和壓電(diàn)材料(liào)的化學組成和微(wēi)觀(guān)結構(gòu)
，可(kě)以找到解(jiě)決這些(xiē)挑戰的(dí)許多方(fāng)案(àn)。

但要做到這一點(diǎn)
，需(xū)要深入理(lǐ)解(jiě)它(tā)們(mén)的(dí)特(tè)性
，特別是它們(mén)的電(diàn)學(xué)特性(xìng)如(rú)何隨(suí)溫度變(biàn)化而表(biǎo)現(xiàn)出(chū)的性能。本(běn)文(wén)將重(zhòng)點(diǎn)介(jiè)紹兩個應用實(shí)例
，其(qí)中能(néng)夠(gòu)精確控製(zhì)材(cái)料在測(cè)量(liáng)過程中(zhōng)的溫度
，對理(lǐ)解其(qí)特(tè)性(xìng)做出了(liǎo)重要貢(gòng)獻。

應(yīng)用1：理(lǐ)解新型(xíng)有(yǒu)機(jī)光(guāng)伏(fú)的動力學特性

有機光伏(fú)（OPV）——使用(yòng)基於碳的(dí)分子(zǐ)——多年來(lái)一(yī)直被視為(wéi)大多數光伏裝置中(zhōng)使(shǐ)用的(dí)基於(yú)矽的技(jì)術的(dí)吸(xī)引(yǐn)人的替代(dài)品
，這得益於它們(mén)的低重量(liáng)
，能夠形成薄而柔韌的薄膜以(yǐ)及可(kě)調(tiáo)節的(dí)特性
，如(rú)帶隙(xì)
，透(tòu)明度和(hé)顏色。OPV還應該更便宜(yí)地大(dà)規(guī)模生產(chǎn)
，並且有(yǒu)可能(néng)比矽光伏提(tí)供更(gēng)低(dī)的環(huán)境(jìng)影響。

然(rán)而
，OPV的最大效(xiào)率(shuài)大(dà)約為11%（相(xiāng)比之下(xià)
，The best無機(jī)光伏(fú)為(wéi)30%左(zuǒ)右）
，並且關於壽命(mìng)的(dí)數據有(yǒu)限
，OPV長(cháng)期(qī)以來
，實(shí)際(jì)應用(yòng)中一直被認為(wéi)是效率不(bù)夠(gòu)或穩定性不足。幸運(yùn)的是
，新材(cái)料正(zhèng)在(zài)改變(biàn)這一(yī)點(diǎn)
，英(yīng)國斯旺(wàng)西大學的研究人員一直在開發新工具(jù)以更(gēng)好(hǎo)地(dì)理解它(tā)們在不(bù)同(tóng)溫度條(tiáo)件下的特性(xìng)。

這項工作由物理係的(dí)Dr. Wei Li and Professor Ardalan Armin領導(dǎo)
，他們開發了一種在不同溫(wēn)度(dù)下(xià)測(cè)量量子(zǐ)效(xiào)率(shuài)的新方(fāng)法。他們(mén)的(dí)設(shè)置
，包括一(yī)個溫(wēn)度(dù)控製(zhì)台（圖(tú)1）
，使(shǐ)他們能夠(gòu)研(yán)究OPV係(xì)統中電子-空穴對(duì)雙分子復(fù)合(hé)的動(dòng)力學（見W. Li等(děng)人
，具有(yǒu)接近Perfect(Wanmei)電(diàn)荷生成(chéng)效率的(dí)有(yǒu)機太(tài)陽(yáng)能(néng)電池
，能源(yuán)與(yǔ)環境科學
，2021年(nián)
，14:6484-6493）。盡(jìn)管(guǎn)作(zuò)為一個概念(niàn)相(xiāng)對(duì)成(chéng)熟
，但這種(zhǒng)動力學(xué)研究在(zài)迄(qì)今為止的實(shí)踐中證(zhèng)明JiJu挑戰(zhàn)性(xìng)
，特(tè)別(bié)是在(zài)現(xiàn)實(shí)世界條件(jiàn)下(xià)。

圖(tú)1：斯(sī)旺西(xī)大學工作(zuò)中使用的(dí)LTS420E-PB4溫度(dù)控製台(tái)。除了工作所(suǒ)需(xū)的溫度(dù)控(kòng)製精度（此型(xíng)號的穩定(dìng)性為<0.1°C）
，這種(zhǒng)台(tái)的緊(jǐn)湊性便於(yú)輕(qīng)鬆(sōng)集(jí)成(chéng)到分析設(shè)置中(zhōng)。圖(tú)片顯示了(liǎo)允許(xǔ)測(cè)量電(diàn)學特(tè)性的針探頭(tóu)。

他(tā)們使(shǐ)用這(zhè)個(gè)溫(wēn)度控(kòng)製係(xì)統獲(huò)得的理解使(shǐ)他(tā)們能(néng)夠(gòu)開發出(chū)聚(jù)合物-非富(fù)勒烯OPV混合(hé)物(wù)
，這是迄(qì)今為(wéi)止任(rèn)何二(èr)元(yuán)有機(jī)太陽(yáng)能(néng)電池所(suǒ)達(dá)到的最佳厚結性(xìng)能——16.2%的功率轉換效(xiào)率(shuài)
，300納米(mǐ)的結。這很重(zhòng)要(yào)
，因為高(gāo)效率(shuài)和厚結(jié)的結合對於能(néng)夠使(shǐ)用高(gāo)吞吐量沉積(jī)技術（如(rú)“卷對卷"方法
，這些(xiē)方法(fǎ)難(nán)以(yǐ)實(shí)現(xiàn)均(jūn)匀(yún)的(dí)薄(báo)膜厚度(dù)小(xiǎo)於(yú)100納米(mǐ)）大(dà)規模製(zhì)造基(jī)於OPV的設(shè)備至(zhì)關重(zhòng)要。團(tuán)隊希望(wàng)他們(mén)的(dí)研究(jiū)將有助(zhù)於鋪(pū)平道(dào)路(lù)
，使(shǐ)OPVs更(gēng)容易(yì)工程(chéng)化
，具有比迄今為止(zhǐ)可能(néng)的(dí)更好的特(tè)性(xìng)
，同(tóng)時克服(fú)基(jī)於矽(guī)係統的劣勢。

應用(yòng)2：對(duì)鐵電和壓電(diàn)材料(liào)進行(háng)低(dī)噪聲(shēng)測(cè)量

由於其(qí)獨Te的(dí)特(tè)性
，鐵電和壓(yā)電材(cái)料在許(xǔ)多研究(jiū)和(hé)商業應用(yòng)中(zhōng)發(fā)揮著(zhuó)關鍵作用。鐵電(diàn)材(cái)料即使(shǐ)在外(wài)部電(diàn)場(cháng)為零(líng)時也表現(xiàn)出(chū)自發的(dí)電極化
，這種(zhǒng)極(jí)化可(kě)以通(tōng)過相反(fǎn)方(fāng)向施加(jiā)的足夠強的電場來切換——這意味(wèi)著材(cái)料(liào)保(bǎo)留(liú)了(liǎo)早期(qī)電場(cháng)的“記(jì)憶(yì)"。壓電材料在受到(dào)機械應力(lì)時產(chǎn)生(shēng)內部(bù)電(diàn)場
，反之(zhī)亦然(rán)
，當(dāng)施(shī)加電場時會發(fā)生變形——使它們在(zài)生成(chéng)和(hé)檢(jiǎn)測(cè)聲波的設備中(zhōng)特別(bié)有價(jià)值(zhí)。

鐵(tiě)電(diàn)和壓(yā)電(diàn)材料的(dí)應(yīng)用不(bù)勝枚(méi)舉
，今天(tiān)它們(mén)可(kě)以在各種(zhǒng)電(diàn)子(zǐ)設備中找到
，包(bāo)括(kuò)音(yīn)頻設備
，手機
，醫療診斷(duàn)儀器(qì)
，相(xiāng)機和(hé)傳感器等。對(duì)這些(xiē)材料(liào)的(dí)需求(qiú)也在增長(cháng)
，隨之(zhī)而來的是需要(yào)在(zài)各種(zhǒng)條件下
，特別(bié)是溫度下理解(jiě)它們(mén)的特性。

然而
，這(zhè)提(tí)出(chū)了一個問(wèn)題
，因(yīn)為(wéi)測量(liáng)鐵電(diàn)和壓(yā)電(diàn)材(cái)料微小(xiǎo)的(dí)電(diàn)響應(yīng)需(xū)要最(zuì)小(xiǎo)化(huà)電噪(zào)聲(shēng)——並非所(suǒ)有(yǒu)溫(wēn)度控製係(xì)統都(dū)能(néng)適應這一(yī)點。在(zài)研(yán)究(jiū)薄膜(mó)時
，這個(gè)問題尤其(qí)嚴重
，即(jí)使是(shì)小量的噪聲(shēng)也可能導致不(bù)準(zhǔn)確(què)的結果。

幸(xìng)運(yùn)的是(shì)
，解決(jué)方案是(shì)噪(zào)聲最小化(huà)的(dí)溫(wēn)度控製台(tái)（圖(tú)2）。接(jiē)地(dì)樣品台(tái)和(hé)室(shì)外殼(ké)使溫(wēn)度(dù)控製(zhì)室成為(wéi)一(yī)個高(gāo)效的法(fǎ)

拉(lā)第(dì)籠
，屏(píng)蔽樣品免受(shòu)環(huán)境電(diàn)噪聲(shēng)的影(yǐng)響(xiǎng)。加(jiā)上一個被動(dòng)的陶瓷絕緣(yuán)體(tǐ)來保持樣品
，可(kě)以(yǐ)在非常低(dī)的水平上準(zhǔn)確測量電響應(yīng)。

圖(tú)2：一(yī)個(gè)鐵電/壓(yā)電測試儀與(yǔ)HFS600E-PB4溫度控製台（右）的(dí)接(jiē)口示例
，提供0.1°C的(dí)精度以及高達(dá)2.5°C/s的(dí)溫度(dù)變(biàn)化(huà)率(shuài)。在這(zhè)種(zhǒng)情況下
，係統可以在(zài)-195°C（或(huò)更低）至(zhì)600°C的(dí)溫度下運行
，在(zài)氣(qì)密環境(jìng)中。

將(jiāng)鐵(tiě)電和壓(yā)電測試設(shè)備(bèi)與這(zhè)樣的(dí)專用(yòng)溫(wēn)度(dù)控(kòng)製台耦合
，允許(xǔ)在(zài)廣(guǎng)泛的溫度範圍內對(duì)薄鐵(tiě)電和(hé)壓(yā)電(diàn)電容(róng)器進(jìn)行電學性(xìng)能的測(cè)量(liáng)。此外(wài)
，該(gāi)係統(tǒng)還(huán)可以(yǐ)容(róng)納(nà)高達300V的塊狀陶(táo)瓷(cí)或(huò)單晶——足以在最(zuì)新(xīn)的铌鎂鈦(tài)酸鉛（PMN-PT）單晶執行(háng)器(qì)上生成完(wán)整的(dí)電(diàn)滯(zhì)回(huí)綫(xiàn)
，以(yǐ)及(jí)測試單層(céng)或多層(céng)材料。

隨著將(jiāng)溫度(dù)控製納(nà)入鐵電和(hé)壓電測(cè)試(shì)的(dí)選項(xiàng)變得越來越為(wéi)人所知(zhī)
，研究人(rén)員越(yuè)來(lái)越欣賞評估溫度(dù)對(duì)其他電特性(xìng)（如(rú)漏電和(hé)擊(jī)穿電(diàn)壓）的影響的價值。因此(cǐ)
，這(zhè)種(zhǒng)集(jí)成(chéng)測量係統有(yǒu)助於研究(jiū)人(rén)員更(gēng)全麵地(dì)了解(jiě)這些(xiē)材料的(dí)行(háng)為
，使(shǐ)他們(mén)能夠(gòu)開發更(gēng)高(gāo)效(xiào)的鐵(tiě)電和壓(yā)電(diàn)材(cái)料
，並擴(kuò)大(dà)其應用(yòng)範(fàn)圍。

溫(wēn)度控製(zhì)台：提(tí)供更(gēng)詳(xiáng)細的圖像

總之(zhī)
，這些(xiē)例子表(biǎo)明
，在精(jīng)確(què)的(dí)溫度控製(zhì)下(xià)進(jìn)行(háng)光(guāng)伏(fú)
，鐵電(diàn)和(hé)壓電材(cái)料(liào)的電學性能(néng)測量(liáng)
，可(kě)以(yǐ)使(shǐ)研(yán)究(jiū)人(rén)員更(gēng)容易(yì)獲得關(guān)於它(tā)們(mén)特(tè)性的更深(shēn)度的信息。這(zhè)些(xiē)台(tái)除(chú)了提供(gōng)進行(háng)電(diàn)測(cè)量(liáng)所需的連接或探頭外(wài)
，還提(tí)供調查氣(qì)體淨化(huà)
，控製真(zhēn)空(kōng)或濕(shī)度(dù)影響的選項。

此(cǐ)外(wài)
，這些(xiē)溫度(dù)控(kòng)製台(tái)還可以(yǐ)與其他分析設備(bèi)集(jí)成(chéng)
，包括(kuò)用(yòng)於(yú)理(lǐ)解晶體結構和(hé)表麵(miàn)組成的X射綫(xiàn)散射
，用於(yú)化學(xué)身份(fèn)信息(xī)的拉曼光譜和傅(fù)裏葉變換紅外光譜
，以(yǐ)及用(yòng)於理(lǐ)解表(biǎo)麵形態的(dí)光學顯(xiǎn)微(wēi)鏡。

有了這些工具
，電子(zǐ)設(shè)計和(hé)開(kāi)發工(gōng)程(chéng)師(shī)將(jiāng)比(bǐ)以往(wǎng)任(rèn)何(hé)時(shí)候都(dū)更有(yǒu)能(néng)力(lì)改進光(guāng)伏
，鐵(tiě)電(diàn)和壓電(diàn)材料
，從(cóng)而利用這些有用(yòng)的(dí)電子(zǐ)材料(liào)。