前言

 

材料性質的研究是當代材料科學的重要一環(huán)，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(shù)據(jù)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(tài)物理中物性表征測試。

 

凝聚態(tài)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(tài)物質的微觀結構、粒子間的相互作用、運動規(guī)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(tài)物理學研究的方向主要有：高溫超導及相關強關聯(lián)體系的基本電子性質、低維自旋和電荷系統(tǒng)、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(tài)物理學研究的對象。

 

綜合物性測試是凝聚態(tài)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(shù)、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(shù)、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(guī)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(zhàn)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(zhàn)，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(zhàn)的方法，兩種方法的框圖如下：

（來源：泰克科技）