電輸運(yùn)測(cè)試面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略

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;

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)

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，其低溫最低可達(dá)0.1mK,磁場(chǎng)可高達(dá)16T。在極端條件下，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。

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GΩ級(jí)。而極端情況下，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。

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)策略

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，必須添加高精度適合極低電平測(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法和以泰克 (吉時(shí)利)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;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)，也更適合低于100Ω及大于1MΩ的電阻測(cè)試。

泰克電輸運(yùn)測(cè)試方案

6221/2182A 一套

24XX 或 26XX —臺(tái)

選配(各一臺(tái))

AFG31252

2002八位半數(shù)字 萬用表

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)，同一過程無法用輪回方式測(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鎖提供的測(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。

高頻輸運(yùn)特性測(cè)試方案

高頻輸運(yùn)特性測(cè)試，在一般輸運(yùn)特性配置基礎(chǔ)上，需增配AWG系列任意波形發(fā)生器。泰克提供AWG5200及AWG70000系列任意波形發(fā)生器。下表為泰克任意波形發(fā)生器的主要參數(shù)：

方案優(yōu)勢(shì)

00fA~100mA電流輸出，1nV電壓測(cè)試靈敏度，高達(dá)10Ω。電阻測(cè)量靈敏度;

泰克獨(dú)有的TSP LINK連接6221/2182A,自動(dòng)完成Delta模式測(cè)試

Delta模式可降低噪聲1000倍

多型號(hào)高精度SMU供激勵(lì)源選擇

領(lǐng)先的AWG為高頻輸運(yùn)特性研究提供強(qiáng)力 支持

電輸運(yùn)測(cè)試領(lǐng)域普遍采用

安泰測(cè)試作為泰克吉時(shí)利長期合作伙伴，專業(yè)提供設(shè)備選型和測(cè)試方案，且為西安多家企業(yè)和院校及研究院提供吉時(shí)利源表現(xiàn)場(chǎng)演示，并獲得客戶的高度認(rèn)可，如果您想了解更多測(cè)試應(yīng)用方案，歡迎訪問安泰測(cè)試網(wǎng)。

審核編輯：湯梓紅