【導讀】凝聚態(tài)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(tài)物質的微觀結構、粒子間的相互作用、運動規(guī)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。
前言
材料性質的研究是當代材料科學的重要一環(huán),所謂材料的性質是指對材料功能特性和效用的定量度量和描述,即材料對電、磁、光、熱、機械載荷的反應。源表SMU 在當代材料科學研究中,起到舉足輕重的作用,選擇適合某類材料電性能測試的SMU,如何降低測試誤差,測試中應當注意什么,這些問題都需要重點關注。泰克吉時利的品牌在全球許多學科工程師和科學家中享有盛譽,其高精度源表(SMU)、萬用表、精密電源、微小信號測試以及數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品,同泰克公司原有的產(chǎn)品線一同為當代材料科學研究提供多種測試方案。
【當代材料電學測試課堂】系列涉及當代材料科學尖端的電運輸及量子材料/超導材料測試、一維/碳納米管材料測試、二維材料及石墨烯測試及納米材料的應用測試。今天跟您分享第三篇,【當代材料電學測試課堂】系列之三:凝聚態(tài)物理中物性表征測試。
凝聚態(tài)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(tài)物質的微觀結構、粒子間的相互作用、運動規(guī)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(tài)物理學研究的方向主要有:高溫超導及相關強關聯(lián)體系的基本電子性質、低維自旋和電荷系統(tǒng)、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(tài)物理學研究的對象。
綜合物性測試是凝聚態(tài)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(shù)、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(shù)、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(guī)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(zhàn)與應對
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(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,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。
為應對電輸運測試面臨的挑戰(zhàn),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法和以泰克(吉時利)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(zhàn)的方法,兩種方法的框圖如下:
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(shù)都是根據(jù)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(yōu)勢,相輔相成,一般在電輸運測試時都配置。下圖示意出兩者應用范圍:
從上兩圖可以看出,鎖相放大器可在更高頻率應用,比如脈沖測試。但對電阻測試,鎖相放大器放較適合 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100mΩ及大于1MΩ的電阻測試。
泰克電輸運測試方案
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(shù)與PPMS鎖提供的測試線的數(shù)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,該配置中除了單一樣品配置中必配及選配的要求外,還包含了一些特殊用途的源表及一套4200A-SCS半導體參數(shù)測試儀,用于特殊被測樣品的測試。
高頻輸運特性測試方案
測試高頻輸運特性,需在一般輸運特性配置基礎上,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:
●100fA~100mA 電流輸出,1nV 電壓測試靈敏度,高達10nΩ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
●領先的 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
(來源:泰克科技)
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