電輸運／物性表征／量子材料／超導(dǎo)材料測試方案

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、運動規(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)研究的對象。 綜合物性測試是凝聚態(tài)物理學(xué)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(xué)測試如：交流磁化率、磁滯回線 ，磁阻等；熱學(xué)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(xué)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(dá)0.1mK, 磁場可高達(dá)16T。在jiduan條件下，磁場可達(dá)100T脈沖強(qiáng)磁場，壓力可達(dá)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(dá)GΩ級，PPMS內(nèi)置輸運測試選件達(dá)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(zhǔn)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(fù)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(dá)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(dá)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(qiáng)力支持

·●電輸運測試領(lǐng)域普遍采用