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GB/T 43682-2024 纳米技术 亚纳米厚度石墨烯薄膜载流子迁移率及方块电阻测量方法

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资料介绍

  ICS 71. 040.50 CCS A 42

  中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

  GB/T 43682—2024

  纳米技术 亚纳米厚度石墨烯薄膜载流子迁移率及方块电阻测量方法

  Nanotechnology—Measurementmethodsforcarriermobility and sheet

  resistanceofgraphene filmsofsub-nanometerthickness

  2024-03-15发布 2024-07-01实施

  国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

  

  发

  

  布

  GB/T 43682—2024

  目 次

  前言 Ⅲ

  引言 Ⅳ

  1 范围 1

  2 规范性引用文件 1

  3 术语和定义 1

  4 原理 2

  5 设备 3

  6 器件制备及测量过程 4

  7 计算方法 7

  8 不确定度的分析与计算 9

  9 测量报告 10

  附录 A (资料性) 化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯样品 # 1 的方块电阻及载流子迁移率 11

  参考文献 12

  Ⅰ

  GB/T 43682—2024

  前 言

  本文件按照 GB/T 1. 1—2020《标准化工作导则 第 1部分 :标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。

  请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。

  本文件由中国科学院提出 。

  本文件由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归 口 。

  本文件起草单位 :泰州巨纳新能源有限公司 、中国科学院上海微系统与信息技术研究所 、上海巨纳科技有限公司 、烯旺新材料科技股份有限公司 、厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司 、泰州飞荣达新材料科技有限公司 、泰州石墨烯研究检测平台有限公司 、东南大学 、南京大学 、电子科技大学(深圳)高等研究院 、清华大学 、江南大学 、贵州金特磨削科技开发有限公司 、福建翔丰华新能源材料有限公司 、北京石墨烯研究院有限公司 、北京孵烯检测认证有限公司 、欣旺达电子股份有限公司 。

  本文件主要起草人 :王浩敏 、丁荣 、吕俊鹏 、谢晓明 、王慧山 、孔 自强 、陈晨 、陈谷一 、袁文军 、王兰兰 、方崇卿 、邵悦 、倪振华 、王欣然 、李雪松 、王琛 、肖少庆 、张豪 、宋宏芳 、许莉 、干静 、洪江彬 、陈敏 、严春伟 。

  Ⅲ

  GB/T 43682—2024

  引 言

  石墨烯薄膜广泛应用于电子器件领域 ,如显示 、通信和可穿戴设备 。不同的应用对石墨烯薄膜的载流子迁移率和方块电阻有不同的要求 ,而载流子迁移率和方块电阻决定了石墨烯薄膜的性能 。 载流子迁移率和方块电阻是石墨烯薄膜质量控制和产品开发的关键控制特性 。从触摸屏到太阳能电池 ,方块电阻变化了两到三个数量级 。然而 , 即使由相同的薄膜制成 ,从不同结构的器件中提取的载流子迁移率也存在巨大差异 。本文件的制定有利于规范石墨烯薄膜的霍尔器件形状 、电极类型 、电极接触方式 、测量步骤等 ,提高石墨烯薄膜质量评价体系的科学性 , 降低不同实验条件对载流子迁移率和方块电阻测量造成的干扰 。 同时 ,本文件规定的测量方法操作简单 ,成本低廉 ,具有良好的经济效益 。

  Ⅳ

  GB/T 43682—2024

  纳米技术 亚纳米厚度石墨烯薄膜载流子

  迁移率及方块电阻测量方法

  1 范围

  本文件描述了亚纳米厚度石墨烯薄膜的霍尔器件样品制备与载流子迁移率及方块电阻测量的原理 、设备 、器件制备及测量过程 、计算方法 、不确定度的分析与计算 , 以及测量报告等 。

  本文 件 适 用 于 长 度 和 宽 度 均 大 于 100 μm 的 亚 纳 米 厚 度 石 墨 烯 薄 膜 的 载 流 子 迁 移 率(<104 cm2/Vs)和方块电阻的测量 。

  2 规范性引用文件

  本文件没有规范性引用文件 。

  3 术语和定义

  下列术语和定义适用于本文件 。

  3. 1

  亚纳米厚度石墨烯薄膜 graphene film ofsub-nanometerthickness

  厚度尺寸小于 1 nm 的石墨烯薄膜 。

  3.2

  霍尔效应 halleffect

  若对通电的样品施加磁场 , 由于洛伦兹力的影响 ,在与电流和磁场垂直的方向上产生横向电势差的现象 。

  [来源 :GB/T 14264—2009,3. 111,有修改] 3.3

  电阻率 resistivity

  材料中平行于电流的电位梯度与电流密度之比 。

  注 : 电阻率是材料参数中可直接测量的量 。

  [来源 :GB/T 4326—2006,2. 1,有修改] 3.4

  霍尔电场 hallelectric field

  在亚纳米厚度石墨烯薄膜(3. 1)试样上同时加上互相垂直的电场和磁场 ,则试样中的载流子将在第3个互相垂直的方向上偏转 ,在试样两侧建立的横向电场 。

  [来源 :GB/T 4326—2006,2. 2,有修改] 3.5

  霍尔系数 hallcoefficient

  霍尔电场(3. 4)对电流密度和磁通密度之积的比 。

  [来源 :GB/T 4326—2006,2. 2,有修改] 3.6

  载流子迁移率 hallmobility ofchargecarrier

  霍尔系数(3. 5)的绝对值与电阻率之比 。

  3.7

  宽长比 aspectratio

  霍尔器件的宽度(w)和长度(l)的比值 。

  1

  GB/T 43682—2024

  注 : 宽度方向与霍尔器件施加电流的方向垂直 ,长度方向与霍尔器件施加电流的方向一致 。

  3. 8

  长程电阻 longitudinalresistance

  霍尔器件沿施加电流方向的电势差与电流大小的比值 。

  3.9

  方块电阻 sheetresistance

  面电阻

  用于间接表征亚纳米厚度石墨烯薄膜(3. 1)电阻率(3. 3)性能的测量值 。

  注 : 方块电阻是亚纳米厚度石墨烯薄膜(3. 1)霍尔器件的长程电阻(3. 8)和宽长比(3. 7)之积 。

  4 原理

  当带电的载流子(图 1 中以电子为例)在石墨烯薄膜样品中运动时 ,将产生霍尔效应 。这种电势差对带电载流子产生的库仑力逐渐增加 , 当库仑力与洛伦兹力大小相等时 ,带电粒子不再偏转 。此时 ,带电粒子在电场作用下移动的快慢程度即为载流子迁移率 。相同的电场强度下 ,载流子迁移率越大 ,运动得越快 ;迁移率越小 ,运动得越慢 。单位薄膜面积上的电阻值则代表方块电阻 。

  标引说明 :

  1 — 石墨烯薄膜 ;

  2 — 二氧化硅介质层 ;

  3 — 电子型掺杂的硅衬底(n+ Si) ; A — 电流源 ;

  I — 纵向电流 ;

  Bz — 外加磁场 ;

  Vxx — 长程电压 ;

  Vxy — 霍尔电压 ;

  Vg — 栅极电压源 ;

  x — 长程电压方向 ;

  y — 霍尔电压方向 ;

  z — 外加磁场方向 。

  图 1 亚纳米厚度石墨烯薄膜的霍尔器件样品测量方法示意图

  2

  GB/T 43682—2024

  5 设备

  5. 1 加热台

  加热范围为 60 ℃ ~ 80 ℃ ,温度误差不超过 1 ℃ 。

  5.2 掩模版对准装置

  能定位 、固定并与试样表面贴合 。掩模版的宽长比在 1 ∶ 5 ~ 1 ∶ 1。

  5.3 几何尺寸测量设备

  包括带读数刻度的光学显微镜 、原子力显微镜和台阶仪 :

  a) 带读数刻度的 光 学 显 微 镜 的 物 镜 目 镜 放 大 倍 数 乘 积 不 低 于 200倍 , 含 数 字 相 机 , 可 成 彩 色像 ,其像素优于 5 万 ;

  b) 原子力显微镜的垂直方向分辨率优于 10 nm;

  c) 台阶仪的最大可测量台阶高度不低于 10 μm ,垂直方向分辨率优于 10 nm。

  5.4 电极沉积设备

  包括热蒸发或电子束蒸发镀膜仪 。在真空度优于 10- 3 Pa的环境下沉积金属 。

  5.5 磁体

  磁体的磁场强度误差不超过(包括电磁体和永久磁体) 。1%(磁)。体可提供的最大磁场强度不低于 4π A/m[1A/m = (4π/1 000) Oe] 。

  5.6 电学设备

  5.6. 1 可调电流源

  最大可输出电流不低于 1 A,最小电流精度优于 1 μA。 电流稳定性误差不超过 0. 5% 。测量时电流在试样上建立的电场不超过 1 V/cm。

  5.6.2 可调电压源

  最大可输出电压不低于 80V,最小电压精度优于 0. 1 mV。 电压稳定性误差不超过 0. 5% 。

  5.6.3 标准电阻器

  标称阻值的误差不超过 0. 1% 。

  5.6.4 电流表

  电流表的最大可测量电流不低于 0. 1 A,精度优于 10 μA。 电流表的误差不超过 0. 5% 。

  5.6.5 电压表

  包括数字电压表 、电位差计 、伏特计和静电计等 。最大可测量电压不低于 1 V,精度优于 1 mV。 电压测量误差不超过 1% 。 电压表的输入阻抗大于被测试样总阻抗的 1 000倍 。

  5.7 试样夹具

  承载样品并将样品固定在测量区域的无磁部件 。

  3

  GB/T 43682—2024

  5. 8 氧等离子体刻蚀设备

  腔体最低真空度小于 10- 3 Pa,最 低 刻 蚀 功 率 不 低 于 20 W 。 腔 体 真 空 度 和 刻 蚀 功 率 的 误 差 不 超过 1% 。

  6 器件制备及测量过程

  6. 1 试样的转移

  对于衬底是绝缘衬底的石墨烯薄膜 ,无需转移 ,采用 6. 2. 1 的步骤制备器件 。

  对于衬底是金属衬底的石墨烯薄膜 ,可先把金属衬底上的石墨烯薄膜转移至绝缘衬底表面 ,再采用

  6. 2. 1 的步骤制备器件 ;也可直接把金属衬底上的石墨烯薄膜转移至具有预制电极的绝缘衬底上 ,采用

  6. 2. 2 的步骤制备器件 。

  上述绝缘衬底应为表面具有 300 nm± 5 nm 厚的 SiO2 层的 Si底(以下称为 300 nm SiO2/Si衬底) ,衬底表面粗糙度不超过 0. 2 nm。

  转移过程中应减少褶皱 、掺杂及污染 ,转移后的薄膜应保持完整 , 即在光学显微镜放大 200倍下无可见破损(孔洞 、裂痕等) 。

  转移后的 样 品 应 清 洗 。 依 次 使 用 丙 酮 、去 离 子 水 、异 丙 醇 进 行 清 洗 , 在 60 ℃ ± 5 ℃下 各 浸 泡10 min。

  6.2 器件的制备

  6.2. 1 器件制备方式一

  对于原已生长在或已转移至绝缘衬底上的石墨烯薄膜 ,按以下步骤制备器件(如图 2所示) :

  a) 将第一件模版组装在石墨烯薄膜上 ,实现紧密面接触 ;

  b) 依次沉积不低于 10 nm 厚的 Ti与 50 nm 厚的 Au金属电极 ,沉积通过热蒸发 、电子束蒸发或丝网印刷等方法完成 ;

  c) 第二件模版的组装 ;

  d) 沉积不低于 100 nm 厚的 Al2 O3 层 ;

  e) 采用氧等离子刻蚀工艺去除未被 Al2 O3 层保护的石墨烯 ;

  f) 在浓度 1 mol/L的磷酸溶液中浸泡不少于 10 min,去除 Al2 O3 保护层 ,磷酸和 Al2 O3 的质量比不低于 2 ∶ 1。

  4

  GB/T 43682—2024

  标引序号说明 :

  1— 绝缘衬底 ;

  2— 石墨烯薄膜 ;

  3— 第一件模版 ;

  4— 金属电极 ;

  5— 第二件模版 ;

  6—Al2 O3 保护层 。

  图 2 器件制备流程一

  6.2.2 器件制备方式二

  如采用直接把金属衬底上的石墨烯薄膜转移至具有预制电极的衬底上的方法 ,通过以下流程简化制备工艺(如图 3所示) :

  a) 将预制电极模版组装在表面氧化为 SiO2 的高掺硅衬底上 ,实现紧密面接触 ;

  b) 依次沉积不低于 10 nm 厚的 Ti与 50 nm 厚的 Au金属预制电极 ,沉积通过热蒸发 、电子束蒸发或丝网印刷等方法完成 ;

  c) 将石墨烯样品转移至具有预制电极的表面氧化为 SiO2 的高掺硅衬底上 ;

  d) 将第二件模版组装在石墨烯薄膜上 ,实现紧密面接触 ;

  e) 沉积不低于 100 nm 厚的 Al2 O3 层 ;

  f) 采用氧等离子刻蚀工艺去除未被 Al2 O3 层保护的石墨烯 ;

  g) 在浓度 1 mol/L的磷酸溶液中浸泡不少于 10 min,去除 Al2 O3 保护层 ,磷酸和 Al2 O3 的质量比不低于 2 ∶ 1。

  5

  GB/T 43682—2024

  标引序号说明 :

  1— 绝缘衬底(表面氧化为 SiO2 的高掺硅衬底) ;

  2— 预制电极模版 ;

  3— 预制电极 ;

  4— 被转移到具有预制电极的衬底上的石墨烯薄膜 ;

  5— 第二件模版 ;

  6—Al2 O3 保护层 。

  图 3 器件制备流程二

  6.3 测量

  6.3. 1 测量步骤

  以下为试样的具体测量步骤 。

  a) 将试样置于磁场中心 ,使得试样平面与磁场方向垂直 。低温测量时 ,试样架应置于杜瓦瓶中或安装在低温制冷机冷台上 。

  b) 按图 4 连接测试线路 ,确认所有线路连接准确无误后 ,打开测试装置的开关 。

  c) 对样品施加恒定的磁场 ,磁场方向垂直于试样表面 ,磁场强度宜为 0. 2 T。

  d) 通过电流源在石墨烯霍尔器件两侧施加一个纵向的电流 I (宜为 100 μA) ,然后 自 - 60 V~ 60V等步长扫描栅极电压 ,步长宜为 0. 2 V。使用电压表读取 V1 、V2 及 V3 端口的电压值并记录 V1 、V2 及 V3 随栅极电压变化的曲线 。然后取距离 Vcnp大于 20V 的栅压处的 V1 、V2 及 V3值 ,其中 Vcnp指的是电荷中性点处对应的背栅电压 ,按照第 7章计算该次测量的载流子迁移率μ1 和方块电阻 Rs1 。

  e) 电流反向 ,重复步骤 d) ,按照第 7章计算该次测量的载流子迁移率 μ2 和方块电阻 Rs2 。

  f) 磁场反向 ,再次重复步骤 d) ,按照第 7章计算该次测量的载流子迁移率 μ3 和方块电阻 Rs3 。

  g) 电流再次反向 ,第 3 次重复步骤 d) ,按照第 7 章计算 该 次 测 量 的 载 流 子 迁 移 率 μ4 和 方 块 电阻 Rs4 。

  6

  GB/T 43682—2024

  标引说明 :

  1— 电压表 & 电流源 ; V1 ,V2 ,V3 — 图中端口对应的电势值 ;

  2— 转接盒 ; Vxx — 长程电压值 ;

  3— 电脑 ; Vxy — 霍尔电压值 。

  4— 磁场控制器 ;

  5— 石墨烯霍尔器件 ;

  图 4 石墨烯霍尔测试系统

  6.3.2 数据取平均

  对测量的载流子迁移率 μ1 、μ2 、μ3 、μ4 和方块电阻 Rs1、Rs2、Rs3、Rs4取平均 ,按照以下公式(1) 和公式(2)计算最终的载流子迁移率 μ 和方块电阻的测量值 Rs :

  μ = (μ1 +μ2 +μ3 +μ4 )/4 …………………………( 1 )

  Rs = (Rs1 +Rs2 +Rs3 +Rs4)/4 …………………………( 2 )

  7 计算方法

  按公式(3)计算长程电压 :

  Vxx =V1 -V2 …………………………( 3 )

  式中 :

  Vxx— 长程电压 ,又称纵向电压 ,单位为伏特(V) ;

  V1 — 图 4 中对应 V1 端口的电势 ,单位为伏特(V) ;

  V2 — 图 4 中对应 V2端口的电势 ,单位为伏特(V) 。

  按公式(4)计算霍尔电压 :

  Vxy = │V1 -V3 │ …………………………( 4 )

  式中 :

  Vxy— 霍尔电压 ,又称横向电压 ,单位为伏特(V) ;

  V1 — 图 4 中对应 V1 端口的电势 ,单位为伏特(V) ;

  V3 — 图 4 中对应 V3 端口的电势 ,单位为伏特(V) 。

  7

  GB/T 43682—2024

  按公式(5)计算长程电阻 :

  Rxx = (V1 -V2 )/I …………………………( 5 )

  式中 :

  Rxx— 长程电阻 ,又称纵向电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

  I — 纵向电流 ,单位为安培(A) 。

  按公式(6)计算霍尔电阻 :

  Rxy =Vxy/I …………………………( 6 )

  式中 :

  Rxy— 霍尔电阻 ,又称横向电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

  I — 纵向电流 ,单位为安培(A) 。

  按公式(7)计算电阻率 :

  ρ= (Rxxwt)/l …………………………( 7 )

  式中 :

  ρ — 电阻率 ,单位为欧姆厘米(Ω · cm) ;

  Rxx— 长程电阻 ,又称纵向电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

  w — 石墨烯薄膜的宽度 ,单位为厘米(cm) ;

  t — 石墨烯薄膜的厚度 ,单位为厘米(cm) ;

  l — 石墨烯薄膜的长度 ,单位为厘米(cm) 。

  按公式(8)计算霍尔电场 :

  Exy =Vxy/w …………………………( 8 )

  式中 :

  Exy— 霍尔电场 ,单位为伏特每厘米(V/cm) ;

  Vxy — 霍尔电压 ,又称横向电压 ,单位为伏特(V) ;

  w — 石墨烯薄膜的宽度 ,单位为厘米(cm) 。

  按公式(9)计算霍尔系数 :

  RH = Exy/JB= (Exywt)/(IB) =Rxyt/B …………………………( 9 )

  式中 :

  RH — 霍尔系数 ,单位为欧姆厘米每特斯拉(Ω · cm/T) ;

  Exy — 霍尔电场 ,单位为伏特每厘米(V/cm) ;

  J — 电流密度 ,单位为安培每平方厘米(A/cm2 ) ;

  B — 磁场强度 ,单位为特斯拉(T) ;

  w — 石墨烯薄膜的宽度 ,单位为厘米(cm) ;

  t — 石墨烯薄膜的厚度 ,单位为厘米(cm) 。

  按公式(10)计算载流子迁移率 :

  μ =RH /ρ= (Rxyt/B)/[(Rxxwt)/l] = (Rxyl)/(RxxwB) …………………( 10 )

  式中 :

  μ — 载流子迁移率 ,单位为平方厘米每伏特秒(cm2/Vs) ;

  RH — 霍尔系数 ,单位为欧姆厘米每特斯拉(Ω · cm/T) ;

  ρ — 电阻率 ,单位为欧姆厘米(Ω · cm) ;

  Rxx — 长程电阻 ,又称纵向电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

  Rxy — 霍尔电阻 ,又称横向电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

  l — 石墨烯薄膜的长度 ,单位为厘米(cm) ;

  w — 石墨烯薄膜的宽度 ,单位为厘米(cm) ;

  8

  GB/T 43682—2024

  B — 磁场强度 ,单位为特斯拉(T) 。

  注 : 等步长扫描栅极电压 ,并通过公式(10)计算对应栅极电压下的载流子迁移率 ,其关系参见图 A. 2。

  按公式(11)计算方块电阻 :

  Rs =Rxxw/l …………………………( 11 )

  式中 :

  Rs — 方块电阻 ,又称面电阻 ,单位为欧姆每方块(Ω/sq) ;

  Rxx — 长程电阻 ,又称纵向电阻 ,单位为欧姆(Ω) ;

  w — 石墨烯薄膜的宽度 ,单位为厘米(cm) ;

  l — 石墨烯薄膜的长度 ,单位为厘米(cm) 。

  注 : 等步长扫描栅极电压 ,并通过公式(9)计算对应栅极电压下的方块电阻值 ,其关系参见图 A. 1。

  8 不确定度的分析与计算

  8. 1 不确定度来源分析

  不确定度包括但不限于下列来源 :

  a) 长程电压 、纵向电流 、磁场强度等参数测量误差引入的不确定度 ;

  b) 样品引入的不确定度 :石墨烯薄膜的长度 、宽度等 ;

  c) 测量重复性引入的不确定度 。

  8.2 不确定度的计算

  方块电阻和载流子迁移率的合成标准不确定度由测量设备 、样品和测量重复性共同决定 ,其中由测量设备 、样品本身引入的不确定度采用 B类不确定度评定方法 , 由测量重复性引入的不确定度采用 A类不确定度评定方法[3] 。本测量方法可预期的方块电阻的 B类合成标准不确定度为 1. 1% , 载流子迁移率的 B类合成标准不确定度为 1. 3% 。合成标准不确定度计算方法如公式(12) 、公式(13)所示 。

  按照公式(12)计算方块电阻的合成标准不确定度 :

  式中 :

  uc (Rs) — 方块电阻的合成标准不确定度 ;

  uV — 由长程电压带来的不确定度分量 ;

  xx

  uI — 由纵向电流带来的不确定度分量 ;

  uw — 由石墨烯薄膜的宽度带来的不确定度分量 ;

  ul — 由石墨烯薄膜的长度带来的不确定度分量 ;

  sRs — 方块电阻 10次重复测量值的标准偏差 ;

  δ — 由第 5 章中规定的对应设备误差 ;

  k — 置信因子 ,测量分布为均匀分布 ,故此处 k取值 3。

  按照公式(13)计算载流子迁移率的合成标准不确定度 :

  uc (μ) = uVxx 2 + uVxy 2 + uI2 + uw 2 + ul2 + uB 2 + sμ2

  = (δ/k)Vxx 2 + (δ/k)Vxy 2 + (δ/k) I2 + (δ/k)w 2 + (δ/k) l2 + (δ/k) B 2 + sμ2 ……( 13 )

  9

  GB/T 43682—2024

  式中 :

  uc (μ) — 载流子迁移率的合成标准不确定度 ;

  uV — 由霍尔电压带来的不确定度分量 ;

  xy

  uB — 由磁场强度带来的不确定度分量 ;

  sμ — 载流子迁移率 10次重复测量值的标准偏差 。

  方块电阻和载流子迁移率的扩展不确定度为合成标准不确定度的 2倍(包含因子 k 为 2) 。

  9 测量报告

  测量报告包括但不限于下列内容 :

  a) 本文件的编号 ;

  b) 样品的编号 、尺寸和宽长比 ;

  c) 磁场强度和测量温度 ;

  d) 测量源数据 ;

  e) 计算得到的载流子迁移率和方块电阻 。

  10

  GB/T 43682—2024

  附 录 A

  (资料性)

  化学气相沉积(CVD)法生长的石墨烯样品 # 1 的方块电阻及载流子迁移率

  图 A. 1 为 CVD法生长的石墨烯样品 # 1 在不同栅极电压下的方块电阻 , 图 A. 2 为该样品在 300 K的温度 、0. 2 T 的磁场下 ,在不同栅极电压下的载流子迁移率 ,其中器件的宽长比为 1 ∶ 2。

  图 A. 1 CVD 法生长的石墨烯样品 # 1 的方块电阻

  图 A.2 CVD 法生长的石墨烯样品 # 1 的载流子迁移率

  11

  GB/T 43682—2024

  参 考 文 献

  [1] GB/T 4326—2006 非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法

  [2] GB/T 14264—2009 半导体材料术语

  [3] JJF 1059. 1—2012 测量不确定度评定与表示

  12

29139415329
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