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電輸運/物性表征/量子材料/超導(dǎo)材料測試方案

來源:北京華測試驗儀器有限公司   2023年07月12日 10:37  

概述: 凝聚態(tài)物理學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、運動規(guī)律及其物質(zhì)性質(zhì)與應(yīng)用的科學,是當代材料科學的物理學基礎(chǔ)。凝聚態(tài)物理學研究的方向主要有:高溫超導(dǎo)及相關(guān)強關(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)物理學研究的對象。 綜合物性測試是凝聚態(tài)物理學的主要測試,包括電輸運測試如:電阻率、微分電阻、霍爾系數(shù)、伏安特性、臨界電流等;磁學測試如:交流磁化率、磁滯回線 ,磁阻等;熱學測試如:比熱、熱磁曲線、熱電效應(yīng)、塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)率等;還包括光學測試、壓力測試、形貌表征等。通常綜合物性測試由PPMS完成。 電輸運性質(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、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。

電輸運測試面臨的挑戰(zhàn):

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

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

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

應(yīng)對挑戰(zhàn):

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

AC 法框圖

Delta 模式

Delta模式可以提供準直流電流反向技術(shù)的測量和計算, 以消除溫差電動勢的影響,每個Delta讀數(shù)都是根據(jù)通道1的兩個電壓測量結(jié)果計算而來;一個測量電流源的正相,一個測量負相,從而使噪聲降低1000倍。AC法和Delta模式法各有優(yōu)勢,相輔相成,一般在電輸運測試時都配置。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 ,比如脈沖測試,但鎖放較適合 100mΩ~1MΩ范圍的測試,而Delta模式可測試更低電平的信號,也更適合低千100mΩ及大千1MΩ的電阻測試。

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

單一被測樣品測試方案:

●6221/2182A一套

●24XX或26XX一臺

●選配(各一臺)

○AFG31252

○2002八位半數(shù)字萬用表

○6514或6517或6430(測試介電常數(shù))

多被測樣品同時測試方案:多樣品測試,可以在單一樣品的配置基礎(chǔ)上加開關(guān)陣列輪回測試,但某些情況下 ,如比熱和磁阻測試時,同一過程無法用輪回方式測試,此時需配置多套SMU及低電平測試儀器,套數(shù)與PPMS所提供的測試線的數(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多樣品同時測試的典型配置。


高頻輸運特性測試方案:高頻輸運特性測試,在 一般輸運特性配置基礎(chǔ)上,需增配AWG系列任意波形發(fā)生器。 搭載AWG5200及AWG70000系列任意波形發(fā)生器。 下表為任意波形發(fā)生器的主要參數(shù):

方案優(yōu)勢:

●0fA~100mA電流輸出,1nV電壓測試靈敏度,高達10nΩ電阻測量靈敏度

●duyou的TSP LINK連接6221/2182A, 自動完成Delta模式測試

●Delta模式可降低噪聲1000倍

·●多型號SMU供激勵源選擇

·●lx的AWG為高頻輸運特性研究提供強力支持

·●電輸運測試領(lǐng)域普遍采用

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