电输运／物性表征／量子材料／超导材料测试方案

概述： 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：

1.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zuidi可达0.1mK, 磁场可高达16T。在jiduan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。

2.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jiduan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。

3.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。

应对挑战：

为应对电输运测试面临的挑战，在PPMS的基础上，必须添加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，锁放可在更高频率应用 ，比如脉冲测试，但锁放较适合 100mΩ~1MΩ范围的测试，而Delta模式可测试更低电平的信号，也更适合低千100mΩ及大千1MΩ的电阻测试。

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所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。

高频输运特性测试方案：高频输运特性测试，在 一般输运特性配置基础上，需增配AWG系列任意波形发生器。 搭载AWG5200及AWG70000系列任意波形发生器。 下表为任意波形发生器的主要参数：

方案优势：

●0fA~100mA电流输出，1nV电压测试灵敏度，高达10nΩ电阻测量灵敏度

●duyou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SMU供激励源选择

·●lx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