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    電輸運/物性表征/量子材料/超導材料測試方案

    日期:2023-07-12瀏覽:242次

    概述: 凝聚態物理學是研究由大量微觀粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態物質的微觀結構、粒子間的相互作用、運動規律及其物質性質與應用的科學,是當代材料科學的物理學基礎。凝聚態物理學研究的方向主要有:高溫超導及相關強關聯體系的基本電子性質、低維自旋和電荷系統、納米功能材料的基本電子性質研究、自旋電子學材料基本性質等,量子材料/超導材料/半金屬材料/異質結構材料/超硬等都是凝聚態物理學研究的對象。 綜合物性測試是凝聚態物理學的主要測試,包括電輸運測試如:電阻率、微分電阻、霍爾系數、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、塞貝克系數、熱導率等;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。 電輸運性質是物質(或材料)的最基本和最重要的物理屬性之一 ,反映了與電荷相關的基本物理行為,如電阻、Hall電阻隨溫度、磁場、壓力變化的規律,以及相關的物理效應如Shubnikov-de Haas量子振蕩、量子霍爾效應等,是綜合物性中最重要的性質之一。

    電輸運測試面臨的挑戰:

    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)及磁場環境中,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境,在此環境下,測試電纜連線需考慮熱效應及對測試結果的誤差因素。

    2.需要極小或極大電阻的測試。在超導條件下,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,此時信號往往淹沒在噪聲中, PPMS內置測試選件往往不能滿足要求。

    應對挑戰:

    為應對電輸運測試面臨的挑戰,在PPMS的基礎上,必須添加高精度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納伏計組合構成的Delta模式是兩種主要的應對挑戰的方法 ,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的測量和計算, 以消除溫差電動勢的影響,每個Delta讀數都是根據通道1的兩個電壓測量結果計算而來;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。下圖示意出兩者應用范圍:

    從上兩圖可以看出,鎖放可在更高頻率應用 ,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,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

    ○2002八位半數字萬用表

    ○6514或6517或6430(測試介電常數)

    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上加開關陣列輪回測試,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,套數與PPMS所提供的測試線的數量相關。 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上,需增配AWG系列任意波形發生器。 搭載AWG5200及AWG70000系列任意波形發生器。 下表為任意波形發生器的主要參數:

    方案優勢:

    ●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

    ·●多型號高精度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

    ·●電輸運測試領域普遍采用



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