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内容
【当代材料电学测试】系列之三:凝聚态物理中物性测试
2021-03-15 15:35:32
来源:
泰克科技
前言:材料性质的研究是当代材料科学的重要一环,所谓材料的性质是指对材料功能特性和效用的定量度量和描述,即材料对电、磁、光、热、机械载荷的反应。源表SMU 在当代材料科学研究中,起到举足轻重的作用,选择适合某类材料电性能
测试
的SMU,如何降低
测试
误差,
测试
中应当注意什么,这些问题都需要重点关注。泰克吉时利的品牌在全球许多学科工程师和科学家中享有盛誉,其高精度源表(SMU)、万用表、精密
电源
、微小信号
测试
以及数据采集产品,同泰克公司原有的产品线一同为当代材料科学研究提供多种
测试
方案。
【当代材料电学
测试
课堂】系列涉及当代材料科学尖端的电运输及量子材料/超导材料
测试
、一维/碳纳米管材料
测试
、二维材料及石墨烯
测试
及纳米材料的应用
测试
。今天跟您分享第三篇,【当代材料电学
测试
课堂】系列之三: 凝聚态物理中物性表征
测试
。
_____
凝聚态物理学是研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学,是当代材料科学的物理学基础。凝聚态物理学研究的方向主要有:高温超导及相关强关联体系的基本电子性质、低维自旋和电荷系统、纳米功能材料的基本电子性质研究、自旋电子学材料基本性质等,量子材料/超导材料/半金属材料/异质结构材料/超硬等都是凝聚态物理学研究的对象。
综合物性
测试
是凝聚态物理学的主要
测试
,包括电输运
测试
如:电阻率、微分电阻、霍尔系数、伏安特性、临界电流等;磁学
测试
如:交流磁化率、磁滞回线,磁阻等;热学
测试
如:比热、热磁曲线、热电效应、塞贝克系数、热导率等;还包括光学
测试
、压力
测试
、形貌表征等。通常综合物性
测试
由PPMS完成。
电输运性质是物质(或材料)的最基本和最重要的物理属性之一,反映了与电荷相关的基本物理行为,如电阻、Hall电阻随温度、磁场、压力变化的规律,以及相关的物理效应如Shubnikov-de Haas量子振荡、量子霍尔效应等,是综合物性中最重要的性质之一。
电输运
测试
面临的挑战与应对
特殊的
测试
条件。一般条件下,被测样品被放置在低温(通常是超导)及磁场环境中,其低温最低可达0.1mK,磁场可高达16T。在极端条件下,磁场可达100T脉冲强磁场,压力可达100GPA。PPMS可以提供一般条件下的
测试
环境,在此环境下,
测试
电缆连线需考虑热效应及对
测试
结果的误差因素。
需要极小或极大电阻的
测试
。在超导条件下,被测样品电阻可能低至nΩ级。而极端情况下,被测样品电阻可能高达GΩ级,PPMS内置输运
测试
选件达不到要求。
需要
测试
极小电压、电流及微分电导,此时信号往往淹没在噪声中,PPMS内置
测试
选件往往不能满足要求。
为应对电输运
测试
面临的挑战,在PPMS的基础上,必须添加高精度适合极低电平
测试
的仪器作为必要的补充,该仪器必须具备去除噪声的能力。以锁相放大器为
测试
仪器的AC法和以泰克(吉时利)622x 低电平电流源/2182A 纳伏计组合构成的Delta 模式是两种主要的应对挑战的方法,两种方法的框图如下:
AC 法框图 Delta 模式
Delta模式可以提供准直流电流反向技术的
测量
和计算,以消除温差电动势的影响,每个Delta读数都是根据通道1的两个电压
测量
结果计算而来;一个
测量
电流源的正相,一个
测量
负相,从而使噪声降低1000倍。AC 法和 Delta 模式法各有优势,相辅相成,一般在电输运
测试
时都配置。下图示意出两者应用范围:
从上两图可以看出,锁相放大器可在更高频率应用,比如脉冲
测试
。但对电阻
测试
,锁相放大器放较适合 100mΩ ~1MΩ 范围的
测试
,而Delta 模式可
测试
更低电平的信号,也更适合低于100mΩ及大于1MΩ的电阻
测试
。
泰克电输运
测试
方案
除了低电平
测试
仪器,通常电输运
测试
还要配置SMU作为直流激励源。特殊情况下还需要AFG作为交流激励源,采集卡或
示波器
用于采集锁放输出信号。如果
测试
介电常数,还需配置静电计。高频输运特性的研究是电输运特性
测试
的发展方向,研究高频输运特性时,需配置带宽达GHz的任意波形发生器。
单一被测样品
测试
方案:
6221/2182A 一套
24XX 或 26XX 一台
选配 (各一台)
AFG31252
2002 八位半数字万用表
6514或6517或6430(
测试
介电常数)
多被测样品同时
测试
方案:
多样品
测试
,可以在单一样品的配置基础上加开关阵列轮回
测试
,但某些情况下,如比热和磁阻
测试
时,同一过程无法用轮回方式
测试
,此时需配置多套SMU及低电平
测试
仪器,套数与PPMS锁提供的
测试
线的数量相关。其原则是每四根连一套源表,每八根线连一套6221/2182A。下表给出某研究院四套PPMS多样品同时
测试
的典型配置,该配置中除了单一样品配置中必配及选配的要求外,还包含了一些特殊用途的源表及一套4200A-SCS
半导体
参数
测试
仪,用于特殊被测样品的
测试
。
高频输运特性
测试
方案
测试
高频输运特性,需在一般输运特性配置基础上,增配AWG 系列任意波形发生器。泰克提供AWG5200及AWG70000系列任意波形发生器。下表为泰克任意波形发生器的主要参数:
型号
AWG70001B
AWG70002B
AWG520X
通道数
1
2
2, 4, 8
最高带宽
1
5G
Hz
13.
5G
Hz
4GHz
最高采样率
50GHz
2
5G
Hz
10GHz
垂直分辨率
10bits
10bits
16bits
SFDR
-80dBc
-80dBc
-70dBc
最大波形存储深度
2G/CH(标配)
32G/CH(选配)
2G/CH(标配)
16G/CH(选配)
2G/CH
方案优势:
100fA~100mA 电流输出,1nV 电压
测试
灵敏度,高达10nΩ电阻
测量
灵敏度
泰克独有的TSP LINK 连接6221/2182A,自动完成 Delta模式
测试
Delta 模式可降低噪声1000倍
多型号高精度 SMU 供激励源选择
领先的 AWG 为高频输运特性研究提供强力支持
电输运
测试
领域普遍采用
了解当代材料电学
测试
更多详细内容,
https://www.tek.com.cn/application/material-science
。
关于泰克科技
泰克公司总部位于美国俄勒冈州毕佛顿市,致力提供创新、精确、操作简便的
测试
、
测量
和监测解决方案,解决各种问题,释放洞察力,推动创新能力。70多年来,泰克一直走在数字时代前沿。欢迎加入我们的创新之旅,敬请登录:tek.com.cn
关键词:
材料
电学
测试测量
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