Four Point Probe: Measuring Sheet Resistance and Resistivity of Thin Films

Four Point Probe: Cara Mengukur Sheet Resistance dan Resistivitas Film Tipis

Diperbarui

Kaca ITO yang baru dibeli, film PEDOT:PSS yang baru di-spin coat, atau lapisan karbon pada elektroda: semuanya perlu diketahui seberapa baik menghantarkan listrik. Multimeter biasa tidak bisa menjawabnya dengan benar, karena hambatan kontak antara ujung probe dan film ikut terukur dan bisa jauh lebih besar daripada hambatan film itu sendiri. Four point probe dibuat untuk mengatasi masalah ini.

Artikel ini menjelaskan cara kerja four point probe, arti sheet resistance, cara menghitung resistivitas dan konduktivitas, sumber kesalahan yang umum, serta cara memilih alat dan kepala probe yang tepat.

Cara kerja: arus di luar, tegangan di dalam

Empat probe berjarak sama disusun dalam satu garis dan ditekan ke permukaan sampel. Arus (I) dialirkan lewat dua probe luar, lalu beda tegangan (V) diukur di antara dua probe dalam. Karena voltmeter hampir tidak menarik arus, hambatan kontak pada probe tegangan tidak menimbulkan penurunan tegangan yang berarti. Yang terukur adalah tegangan pada film itu sendiri.

Sheet resistance, resistivitas, dan konduktivitas

Sheet resistance (Rs) adalah hambatan sebuah lapisan tipis berbentuk persegi, berapa pun ukuran perseginya. Satuannya ohm per persegi (Ω/sq atau Ω/□). Untuk film yang jauh lebih tipis daripada jarak antar-probe dan sampel yang jauh lebih lebar daripada susunan probe:

Rs = (π / ln 2) × V / I ≈ 4,532 × V / I

Pada sampel kecil atau bila probe dekat dengan tepi, angka 4,532 perlu dikalikan faktor koreksi geometri yang bergantung pada ukuran dan bentuk sampel. Perangkat lunak four point probe yang baik menghitungnya otomatis.

Bila ketebalan film (t) diketahui, resistivitas dan konduktivitas bisa dihitung:

  • Resistivitas: ρ = Rs × t (Ω·cm)
  • Konduktivitas: σ = 1 / ρ (S/cm)

Contoh: kaca ITO dengan lapisan setebal 100 nm (1 × 10-5 cm) dan Rs 20 Ω/sq memiliki resistivitas 20 × 1 × 10-5 = 2 × 10-4 Ω·cm, atau konduktivitas sekitar 5.000 S/cm. Ketelitian hasil ini sangat bergantung pada pengukuran ketebalan, misalnya dengan profilometer atau elipsometer.

Sumber kesalahan yang umum

  • Lapisan oksida atau kontaminan. Silikon dan banyak logam membentuk lapisan oksida alami yang menghalangi kontak. Probe ujung lunak tidak bisa menembusnya; gunakan probe ujung tajam.
  • Film rusak tertekan probe. Lapisan organik dan film sangat tipis bisa tergores probe tajam. Probe ujung bulat dengan gaya tekan terbatas lebih aman.
  • Lapisan di bawahnya ikut menghantar. Bila substrat atau lapisan bawah konduktif, arus tidak hanya lewat film yang ingin diukur. Ukur film di atas substrat isolator.
  • Offset tegangan. Efek termoelektrik dan offset alat bisa menggeser hasil. Mengukur dengan dua polaritas arus lalu merata-ratakannya menghilangkan offset ini.
  • Arus terlalu besar atau terlalu kecil. Arus besar memanaskan sampel; arus kecil memberi sinyal tegangan yang tenggelam dalam derau. Pilih arus sehingga tegangan terukur berada di rentang yang presisi.
  • Satu titik ukur. Film hasil spin coating jarang benar-benar seragam. Ukur beberapa titik dan laporkan rata-rata beserta simpangannya.

Cara memilih four point probe

  1. Rentang sheet resistance. Logam dan ITO berada di kisaran ohm hingga puluhan ohm per persegi; PEDOT:PSS tanpa aditif dan semikonduktor bisa mencapai megaohm. Ossila Four Point Probe mencakup 100 mΩ/sq hingga 10 MΩ/sq dengan arus 1 μA – 200 mA dan tegangan 100 μV – 10 V.
  2. Jenis kepala probe. Ujung lunak (bulat, berlapis emas, berpegas, radius 0,24 mm, gaya 60 gram) untuk lapisan organik dan film sangat tipis. Ujung tajam untuk permukaan keras dan material beroksida. Bila sampel Anda beragam, pilih konfigurasi dengan dua kepala probe.
  3. Ukuran sampel. Ossila Four Point Probe menerima sampel 5 mm hingga 152,4 mm (6 inci) dengan ketebalan hingga 8 mm, dengan jarak antar-probe 1,27 mm.
  4. Dengan atau tanpa PC. Model Original dijalankan dari PC lewat USB atau Ethernet. Model Plus memiliki layar sendiri sehingga bisa dipakai tanpa PC, praktis untuk mengukur di dalam glove box.
  5. Perangkat lunak. Pastikan alat menghitung faktor koreksi, resistivitas, dan konduktivitas, serta mengekspor data (misalnya .csv) untuk diolah lebih lanjut.

Four point probe di AMI Scientific

Ossila Four Point Probe Original dan Plus, dengan kepala probe ujung lunak, ujung tajam, atau keduanya, serta kepala probe pengganti P2010A2 dan P2010B1, tersedia di koleksi Four Point Probe. Untuk sampelnya, lihat juga substrat ITO dan FTO, PEDOT:PSS, dan spin coater. Perbandingan kaca ITO dan FTO dibahas di artikel ITO vs FTO.

Kirimkan jenis sampel dan perkiraan rentang resistansinya melalui WhatsApp, tim kami akan membantu memilih konfigurasi dan menyiapkan penawaran resmi atas nama institusi Anda.

Kembali ke blog