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作者：泰克公司 前言：材料性質(zhì)的研究是當代材料科學(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。源表SMU 在當代材料科學(xué)研究中，起到舉足輕重的作用，選擇適合某類(lèi)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(wèn)題都需要重點(diǎn)關(guān)注。泰克吉時(shí)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(yù)，其高精度源表（SMU）、萬(wàn)用表、精密電源、微小信號測試以及數據采集產(chǎn)品，同泰克公司原有的產(chǎn)品線(xiàn)一同為當代材料科學(xué)研究提供多種測試方案。 【當代材料電學(xué)測試課堂】系列涉及當代材料科學(xué)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(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(guān)粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態(tài)物質(zhì)的微觀(guān)結構、粒子間的相互作用、運動(dòng)規律及其物質(zhì)性質(zhì)與應用的科學(xué)，是當代材料科學(xué)的物理學(xué)基礎。凝聚態(tài)物理學(xué)研究的方向主要有：高溫超導及相關(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、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/超導材料/半金屬材料/異質(zhì)結構材料/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、伏安特性、臨界電流等；磁學(xué)測試如：交流磁化率、磁滯回線(xiàn)，磁阻等；熱學(xué)測試如：比熱、熱磁曲線(xiàn)、熱電效應、塞貝克系數、熱導率等；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(chǎng)、壓力變化的規律，以及相關(guān)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(zhì)之一。 電輸運測試面臨的挑戰與應對 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(chǎng)環(huán)境中，其低溫最低可達0.1mK，磁場(chǎng)可高達16T。在極端條件下，磁場(chǎng)可達100T脈沖強磁場(chǎng)，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(xiàn)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(shí)信號往往淹沒(méi)在噪聲中，PPMS內置測試選件往往不能滿(mǎn)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(shí)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： 
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(dòng)勢的影響，每個(gè)Delta讀數都是根據通道1的兩個(gè)電壓測量結果計算而來(lái)；一個(gè)測量電流源的正相，一個(gè)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(shí)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(fā)展方向，研究高頻輸運特性時(shí)，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) o AFG31252 o 2002 八位半數字萬(wàn)用表 o 6514或6517或6430（測試介電常數）
多被測樣品同時(shí)測試方案： 多樣品測試，可以在單一樣品的配置基礎上加開(kāi)關(guān)陣列輪回測試，但某些情況下，如比熱和磁阻測試時(shí)，同一過(guò)程無(wú)法用輪回方式測試，此時(shí)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(xiàn)的數量相關(guān)。其原則是每四根連一套源表，每八根線(xiàn)連一套6221/2182A。下表給出某研究院四套PPMS多樣品同時(shí)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(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：
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(dòng)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 了解當代材料電學(xué)測試更多詳細內容，https://www.tek.com.cn/application/material-science。 |
