電輸運(yùn)／物性表征／量子材料／超導(dǎo)材料測(cè)試方案

日期：2023-07-12瀏覽：1027次

概述： 凝聚態(tài)物理學(xué)是研究由大量微觀粒子（原子、分子、離子、電子）組成的凝聚態(tài)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、粒子間的相互作用、運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其物質(zhì)性質(zhì)與應(yīng)用的科學(xué)，是當(dāng)代材料科學(xué)的物理學(xué)基礎(chǔ)。凝聚態(tài)物理學(xué)研究的方向主要有：高溫超導(dǎo)及相關(guān)強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的基本電子性質(zhì)、低維自旋和電荷系統(tǒng)、納米功能材料的基本電子性質(zhì)研究、自旋電子學(xué)材料基本性質(zhì)等，量子材料/超導(dǎo)材料／半金屬材料／異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料／超硬等都是凝聚態(tài)物理學(xué)研究的對(duì)象。綜合物性測(cè)試是凝聚態(tài)物理學(xué)的主要測(cè)試，包括電輸運(yùn)測(cè)試如：電阻率、微分電阻、霍爾系數(shù)、伏安特性、臨界電流等；磁學(xué)測(cè)試如：交流磁化率、磁滯回線，磁阻等；熱學(xué)測(cè)試如：比熱、熱磁曲線、熱電效應(yīng)、塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率等；還包括光學(xué)測(cè)試、壓力測(cè)試、形貌表征等。通常綜合物性測(cè)試由PPMS完成。電輸運(yùn)性質(zhì)是物質(zhì)（或材料）的最基本和最重要的物理屬性之一，反映了與電荷相關(guān)的基本物理行為，如電阻、Hall電阻隨溫度、磁場(chǎng)、壓力變化的規(guī)律，以及相關(guān)的物理效應(yīng)如Shubnikov-de Haas量子振蕩、量子霍爾效應(yīng)等，是綜合物性中最重要的性質(zhì)之一。

電輸運(yùn)測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)：

1.特殊的測(cè)試條件。一般條件下，被測(cè)樣品被放置在低溫（通常是超導(dǎo)）及磁場(chǎng)環(huán)境中，其低溫zuidi可達(dá)0.1mK, 磁場(chǎng)可高達(dá)16T。在jiduan條件下，磁場(chǎng)可達(dá)100T脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，壓力可達(dá)100GPA。PPMS可以提供一般條件下的測(cè)試環(huán)境，在此環(huán)境下，測(cè)試電纜連線需考慮熱效應(yīng)及對(duì)測(cè)試結(jié)果的誤差因素。

2.需要極小或極大電阻的測(cè)試。在超導(dǎo)條件下，被測(cè)樣品電阻可能低至nΩ級(jí)。而jiduan情況下，被測(cè)樣品電阻可能高達(dá)GΩ級(jí)，PPMS內(nèi)置輸運(yùn)測(cè)試選件達(dá)不到要求。

3.需要測(cè)試極小電壓、電流及微分電導(dǎo)，此時(shí)信號(hào)往往淹沒(méi)在噪聲中， PPMS內(nèi)置測(cè)試選件往往不能滿足要求。

應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)：

為應(yīng)對(duì)電輸運(yùn)測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)，在PPMS的基礎(chǔ)上，必須添加適合極低電平測(cè)試的儀器作為必要的補(bǔ)充，該儀器必須具備去除噪聲的能力。以鎖相放大器為測(cè)試儀器的AC法和以622x低電平電流源／2182A納伏計(jì)組合構(gòu)成的Delta模式是兩種主要的應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的方法，兩種方法的框圖如下：

AC 法框圖

Delta 模式

Delta模式可以提供準(zhǔn)直流電流反向技術(shù)的測(cè)量和計(jì)算，以消除溫差電動(dòng)勢(shì)的影響，每個(gè)Delta讀數(shù)都是根據(jù)通道1的兩個(gè)電壓測(cè)量結(jié)果計(jì)算而來(lái)；一個(gè)測(cè)量電流源的正相，一個(gè)測(cè)量負(fù)相，從而使噪聲降低1000倍。AC法和Delta模式法各有優(yōu)勢(shì)，相輔相成，一般在電輸運(yùn)測(cè)試時(shí)都配置。下圖示意出兩者應(yīng)用范圍：

從上兩圖可以看出，鎖放可在更高頻率應(yīng)用，比如脈沖測(cè)試，但鎖放較適合 100mΩ~1MΩ范圍的測(cè)試，而Delta模式可測(cè)試更低電平的信號(hào)，也更適合低千100mΩ及大千1MΩ的電阻測(cè)試。

電輸運(yùn)測(cè)試方案：除了低電平測(cè)試儀器，通常電輸運(yùn)測(cè)試還要配置SMU作為直流激勵(lì)源。特殊情況下還需要AFG作為交流激勵(lì)源，采集卡或示波器用于采集鎖放輸出信號(hào)。如果測(cè)試介電常數(shù)，還需配置靜電計(jì)。高頻輸運(yùn)特性的研究是電輸運(yùn)特性測(cè)試的發(fā)展方向，研究高頻輸運(yùn)特性時(shí)，需配置帶寬達(dá)GHz的任意波形發(fā)生器。

單一被測(cè)樣品測(cè)試方案：

●6221/2182A一套

●24XX或26XX一臺(tái)

●選配（各一臺(tái)）

○AFG31252

○2002八位半數(shù)字萬(wàn)用表

○6514或6517或6430（測(cè)試介電常數(shù)）

多被測(cè)樣品同時(shí)測(cè)試方案：多樣品測(cè)試，可以在單一樣品的配置基礎(chǔ)上加開(kāi)關(guān)陣列輪回測(cè)試，但某些情況下，如比熱和磁阻測(cè)試時(shí)，同一過(guò)程無(wú)法用輪回方式測(cè)試，此時(shí)需配置多套SMU及低電平測(cè)試儀器，套數(shù)與PPMS所提供的測(cè)試線的數(shù)量相關(guān)。其原則是每四根連一套源表，每八根線連一套6221/2182A。下表給出某研究院四套PPMS多樣品同時(shí)測(cè)試的典型配置。