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：2290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。