電輸運測試面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對策略

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；

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，其低溫最低可達0.1mK,磁場可高達16T。在極端條件下，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GΩ級。而極端情況下，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)對策略

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法和以泰克 （吉時利）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，也更適合低于100Ω及大于1MΩ的電阻測試。

泰克電輸運測試方案

• 6221/2182A 一套
• 24XX 或 26XX —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鎖提供的測試 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。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

• 00fA~100mA電流輸出，1nV電壓測試靈敏度，高達10Ω。電阻測量靈敏度；
• 泰克獨有的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
• 領(lǐng)先的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

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