【當(dāng)代材料電學(xué)測試】系列之三：凝聚態(tài)物理中物性測試

【當(dāng)代材料電學(xué)測試】系列之三：凝聚態(tài)物理中物性測試前言：材料性質(zhì)的研究是當(dāng)代材料科學(xué)的重要一環(huán)，所謂材料的性質(zhì)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(yīng)。源表SMU在當(dāng)代材料科學(xué)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(yīng)當(dāng)注意什么，這些問題都需要重點關(guān)注。泰克吉時利的品牌在全球許多學(xué)科工程師和科學(xué)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(dāng)代材料科學(xué)研究提供多種測試方案?！井?dāng)代材料電學(xué)測試課堂】系列涉及當(dāng)代材料科學(xué)尖端的電運輸及量子材料/超導(dǎo)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(yīng)用測試。今天跟您分享第三篇，【當(dāng)代材料電學(xué)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(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；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-deHaas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)與應(yīng)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(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(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。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，鎖相放大器可在更高頻率應(yīng)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

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24XX或26XX一臺

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選配(各一臺)

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AFG31252

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2002八位半數(shù)字萬用表

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6514或6517或6430（測試介電常數(shù)）6221電流源2182A納伏表6517B靜電計2400系列SMU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，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(dǎo)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(chǔ)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)：AWG70001B與AWG70002BAWG5200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

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泰克獨有的TSPLINK連接6221/2182A，自動完成Delta模式測試

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Delta模式可降低噪聲1000倍

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多型號高精度SMU供激勵源選擇

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領(lǐng)先的AWG為高頻輸運特性研究提供強力支持

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電輸運測試領(lǐng)域普遍采用了解當(dāng)代材料電學(xué)測試更多詳細內(nèi)容，/appli