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【當代材料電學測試】系列之三：凝聚態物理中物性測試

2021-03-15 15:35:32 泰克科技

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前言：材料性質的研究是當代材料科學的重要一環，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據采集產品，同泰克公司原有的產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：凝聚態物理中物性表征測試。
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凝聚態物理學是研究由大量微觀粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態物質的微觀結構、粒子間的相互作用、運動規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。凝聚態物理學研究的方向主要有：高溫超導及相關強關聯體系的基本電子性質、低維自旋和電荷系統、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/超硬等都是凝聚態物理學研究的對象。

綜合物性測試是凝聚態物理學的主要測試，包括電輸運測試如：電阻率、微分電阻、霍爾系數、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、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與應對

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境，在此環境下，測試電纜連線需考慮熱效應及對測試結果的誤差因素。
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內置輸運測試選件達不到要求。
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，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的測量和計算，以消除溫差電動勢的影響，每個Delta讀數都是根據通道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，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 八位半數字萬用表
- 6514或6517或6430（測試介電常數）

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，套數與PPMS鎖提供的測試線的數量相關。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 系列任意波形發生器。泰克提供AWG5200及AWG70000系列任意波形發生器。下表為泰克任意波形發生器的主要參數：

型號	AWG70001B	AWG70002B	AWG520X
通道數	1	2	2, 4, 8
最高帶寬	15GHz	13.5GHz	4GHz
最高采樣率	50GHz	25GHz	10GHz
垂直分辨率	10bits	10bits	16bits
SFDR	-80dBc	-80dBc	-70dBc
最大波形存儲深度	2G/CH(標配） 32G/CH(選配）	2G/CH(標配） 16G/CH(選配）	2G/CH

方案優勢:

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

了解當代材料電學測試更多詳細內容，https://www.tek.com.cn/application/material-science。
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關鍵詞：材料電學測試測量