IEC TS 62607-6-272025 纳米制造 关键控制特性 第6-27部分石墨烯相关产品 二维材料层的场效应迁移率场效应晶体管法标准立项发展报告

纳米制造关键控制特性第6-27部分:石墨烯相关产品二维材料层的场效应迁移率:场效应晶体管法标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Nanomanufacturing-KeyControlCharacteristics-Part6-27:Graphene-relatedproducts-Field-effectmobilityforlayersoftwo-dimensionalmaterials:field-effecttransistormethod摘要随着二维材料，特别是石墨烯及其衍生物在微电子、光电子、传感器及新能源等领域的应用不断深入，对其电学性能进行准确、可重复的表征已成为纳米制造质量控制的核心课题之一。场效应迁移率是衡量二维材料载流子输运能力的关键参数，直接影响器件的工作速度与功耗，然而由于测试方法多样、样品制备工艺差异显著，不同实验室间所获得的迁移率数据往往缺乏可比性。为应对这一挑战，国际电工委员会（IEC）于2025年12月正式发布了IECTS62607-6-27:2025《纳米制造关键控制特性第6-27部分:石墨烯相关产品二维材料层的场效应迁移率:场效应晶体管法》。该技术规范隶属于IECTS62607系列，明确了采用背栅场效应晶体管结构测试二维材料层场效应迁移率的标准化流程，涵盖样品制备、器件构造、测量条件设定、数据提取与报告规范等全链条要素。本报告系统梳理了该标准的立项背景、核心技术内容、编制原则及预期应用价值，并重点介绍了主要起草单位在标准研制过程中的技术贡献。该标准的发布填补了二维材料电学性能表征领域国际标准化的空白，对推动石墨烯产业的规范化发展和技术贸易便利化具有重要的里程碑意义。关键词：纳米制造；石墨烯；二维材料；场效应迁移率；场效应晶体管；国际电工委员会；标准化；关键控制特性Keywords:Nanomanufacturing;Graphene;Two-dimensionalmaterials;Field-effectmobility;Field-effecttransistor;IEC;Standardization;Keycontrolcharacteristics1引言1.1研究背景石墨烯作为首个被成功分离的二维材料，自2004年问世以来便引发了全球范围内的研究热潮与产业布局。凭借其优异的电学性能——室温下理论载流子迁移率高达200,000cm²/(V·s)——石墨烯被视为后硅时代微电子技术的重要候选材料之一。与此同时，过渡金属硫族化合物（如MoS₂、WS₂）、六方氮化硼等新兴二维材料也在不断拓展二维材料家族的功能版图。在从实验室研究走向工业化应用的过程中，一个基础性瓶颈始终困扰着产业界与学术界：如何在统一的技术框架下准确表征二维材料的电学性能？场效应迁移率作为二维材料最重要的电学参数之一，其测试结果在很大程度上依赖于所采用的测试方法与器件结构。传统研究中，各实验室往往基于自身条件自行设计测试方案，导致迁移率数据之间的可比性不足。材料供应商、器件制造商与科研机构之间的技术沟通缺乏共同语言，阻碍了大规模产业化进程中的质量控制与产品认证。1.2标准化需求分析IECTS62607系列标准由国际电工委员会纳米电工产品与系统技术委员会（IEC/TC113）负责制定，旨在为纳米制造过程的关键控制特性提供统一的测试与表征方法。该系列标准的总体框架覆盖了纳米材料的多个维度——从纳米颗粒的尺寸分布、比表面积到纳米薄膜的电阻率、功函数等。然而，随着二维材料技术成熟度的不断提升，既有标准框架中缺少针对二维材料薄层电学性能的专项测试规范，这一标准空白日益成为制约行业健康发展的关键瓶颈。正是在此背景下，IECTS62607-6-27:2025作为系列标准第6部分（石墨烯相关产品）的第27个子标准应运而生，专门针对二维材料层的场效应迁移率测试提供标准化的场效应晶体管法技术规范。2标准概述2.1标准基本信息IECTS62607-6-27:2025《纳米制造关键控制特性第6-27部分：石墨烯相关产品二维材料层的场效应迁移率：场效应晶体管法》由国际电工委员会（IEC）于2025年12月16日正式发布，标准状态为现行有效。该技术规范以英文编写，属于IEC技术规范（TechnicalSpecification,TS）类别。标准发布机构为国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC），具体由其下属的纳米电工产品与系统技术委员会（IEC/TC113）归口管理。TC113成立于2006年，是国际上专门负责纳米技术在电工领域应用标准化的技术委员会，其工作范围涵盖纳米制造过程、纳米材料和纳米器件的标准化。2.2标准体系定位在IECTS62607系列标准框架内，该标准属于第6部分“石墨烯相关产品”的子标准。第6部分系列标准专门针对石墨烯及石墨烯相关材料的关键控制特性制定测试方法，已发布的标准涵盖层数测定、片层尺寸分析、缺陷密度评估等多个方面。本标准的发布进一步丰富了该系列标准体系，填补了二维材料电学输运性能标准化测试的空白。该技术规范采用了背栅场效应晶体管（back-gatedfield-effecttransistor）作为标准测试器件结构，与国际学术界和工业界广泛采用的测试平台保持一致，有利于标准的快速推广和实施。3标准核心技术内容3.1适用范围本标准适用于以机械剥离、化学气相沉积（CVD）、液相剥离等方法制备的各类二维材料薄层——包括但不限于石墨烯、过渡金属硫族化合物、六方氮化硼等——的场效应迁移率测试。标准所规定的测试方法适用于沟道层厚度在原子级至数十纳米范围内的二维材料样品，可覆盖从实验室研究到规模化生产质量监控的多种应用场景。3.2规范性引用文件标准在制定过程中系统参考了IECTS62607系列的相关文件以及其他国际标准，包括IECTS62607-6-1（石墨烯相关产品的表征方法通则）等。通过建立与系列标准的有机衔接，确保了测试方法的系统性和一致性。3.3核心术语与定义标准对以下关键术语进行了明确定义：-场效应迁移率（field-effectmobility）：在场效应晶体管工作状态下，由栅极电压引起的沟道电导变化所推导出的载流子迁移率，单位为cm²/(V·s)。-二维材料层（layeroftwo-dimensionalmaterial）：在垂直方向具有原子级厚度、在平面方向具有宏观尺寸或微观尺寸的结晶性材料薄层。-转移特性曲线（transfercharacteristiccurve）：在固定源漏电压条件下，沟道电流随栅极电压变化的函数关系。-阈值电压（thresholdvoltage）：沟道开始形成导电通道时的栅极电压值。3.4测试原理与程序标准规定的场效应迁移率测试基于背栅场效应晶体管结构的工作原理。其核心测试程序包括以下关键环节：（1）样品准备与器件制备标准对测试衬底（推荐采用高掺杂硅衬底上覆热氧化硅介质层）、二维材料薄层的转移与图形化工艺、源漏电极的制备（推荐采用金/铬或金/钛复合电极结构）等环节提出了明确的技术要求。同时，标准还推荐了对二维材料层厚度和质量的辅助表征手段（如原子力显微镜、拉曼光谱）以辅助数据分析。（2）电学测量标准规定了在室温、大气环境或受控气氛条件下的测量程序：固定源漏电压（建议取小电压以避免自热效应），在设定的栅极电压扫描范围内以固定扫描速率记录转移特性曲线。标准对测量的电压范围、扫描方向、步长等参数给出了参考区间，并针对滞后效应的抑制提出了建议。（3）数据提取与计算针对线性区和饱和区两种工作模式，标准分别给出了迁移率的具体计算公式。在线性区，场效应迁移率可通过转移特性曲线的跨导值计算获得：$$\mu_{FE}=\frac{L\cdotg_m}{W\cdotC_{ox}\cdotV_{DS}}$$其中，$g_m$为跨导，$L$与$W$分别为沟道长度与宽度，$C_{ox}$为单位面积栅氧化层电容，$V_{DS}$为源漏电压。（4）测量不确定度评定与报告标准规定了测量不确定度的主要来源（包括几何参数测量误差、电容值不确定度、仪器精度限制等）及其评定方法，并提供了标准化的测试报告模板，要求报告应包含样品信息、器件结构参数、测量条件、原始转移特性数据、计算得到的迁移率值及不确定度分析等完整信息。3.5技术要点的讨论在场效应迁移率测试中，不同测试条件与提取方式可获得差异显著的数值结果。为此，规范针对几个关键技术要点做了重点论述，包括：接触电阻对迁移率提取精度的影响及其修正方法、不同电介质材料与厚度对介电常数的影响等。这些内容有助于提升测试结果的可比性与可重复性。4主要起草单位介绍本标准的制定汇聚了全球范围内在二维材料制备、表征与器件应用领域具有深厚积累的科研机构与工业企业的技术力量。其中，中国计量科学研究院作为IEC/TC113国内技术对口单位的核心支撑机构，在标准研制过程中发挥了重要作用。中国计量科学研究院（NationalInstituteofMetrology,NIM）是国家最高的计量科学研究中心和国家级法定计量技术机构，隶属于国家市场监督管理总局。作为国际米制公约组织的正式成员，NIM长期深度参与国际计量局（BIPM）组织的国际比对工作，并在纳米计量、材料计量等前沿领域持续开展系统的科学研究。在IECTS62607-6-27:2025的研制过程中，中国计量科学研究院依托其国家计量基标准平台和纳米计量实验室，重点承担了三方面工作：一是系统开展了基于CVD法石墨烯薄膜的标准样品研制与迁移率测量方法验证实验，为标准中测试流程的确定提供了系统性的实验数据支撑；二是基于其在国际比对中的技术积累，提出了测量不确定度评定的规范框架，确保了标准在计量的溯源性方面与国际单位制（SI）紧密衔接；三是牵头组织了中国国内多家高校与企业的比对测试工作，为验证所提出测试方法的普适性和可靠性发挥了关键作用。除中国计量科学研究院外，该标准的制定还汇聚了IEEE、欧盟石墨烯旗舰计划项目联盟等国际组织的专家力量。来自学术界与产业界的多类型参与方共同确保了标准既具有基础研究层面的科学严谨性，又充分兼顾了产业应用场景的可行性和可操作性。5结论与展望IECTS62607-6-27:2025的正式发布是二维材料领域标准化进程中的一个重要里程碑。该标准以场效应晶体管法为核心技术路径，为各类二维材料薄层的场效应迁移率测试提供了统一的规范性框架，系统解决了此前因测试条件与数据提取方法各异所导致的迁移率数值缺乏可比性的突出问题。标准所确立的规范化测试流程——从样品制备、器件构造、电学测量到数据报告——形成了一套完整的质量控制链条，为石墨烯及相关二维材料从实验室研究走向规模化产业应用提供了可靠的技术支撑。从产业影响来看，该标准的实施将直接惠及二维材料供应商、电子器件制造商、第三方检测机构及下游应用企业。统一的测试标尺不仅有助于材料质量的横向对比和批次一致性监控，更能够为产品质量认证和市场准入提供权威的技术依据，从而促进国际贸易中的技术互信。展望未来，随着二维材料技术持续演进，新结构、新体系和新应用场景将不断涌现。在现有场效应晶体管法的基础上，针对不同沟道长度缩放效应、接触工程优化以及高频特性表征的后续标准需求已逐渐显现。同时，适用于柔性衬底和异质集成器件的测试方法标准化亦已提上议事日程。IEC/TC113及其国际合作伙伴将在此标准基础上持续拓展二维材料电学性能表征的标准体系，为全球纳米制造产业的健康发展提供更加全面和完善的标准化支撑。参考资料[1]IECTS62607-6-27:2025,Nanomanufacturing-Keycontrolcharacteristics-Part6-27:Graphene-relatedproducts-Field-effectmobilityforlayersoftwo-dimensionalmaterials:field-effecttransistormethod.Geneva:IEC,2025.[2]InternationalElectrotechnicalCommission.IEC/TC113:Nanotechnologystandardizationroadmap.Geneva:IEC,2024.[3]K.S.Novoselov,A.K.Geim,etal.Electricfieldeffectinatomicallythincarbonfilms.Science,2004,306(5696):666-669.[4]A.K.Geim,K.S.N