当代材料电学测试：凝聚态物理中物性测试

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
 
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。
 
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。
 
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。
 
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) 
o  AFG31252 
o  2002 八位半数字万用表 
o  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：

AWG70001B与AWG70002B  AWG5200

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