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(yīng)。源表SMU 在當代材料科學(xué)研究中，起到舉足輕重的作用，選擇適合某類材料電性能測試的SMU，如何降低測試誤差，測試中應(yīng)當注意什么，這些問題都需要重點關(guān)注。泰克吉時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，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(chǎn)品，同泰克公司原有的產(chǎn)品線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(dǎo)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(yīng)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)是研究由大量微觀粒子(原子、分子、離子、電子)組成的凝聚態(tài)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、粒子間的相互作用、運動規(guī)律及其物質(zhì)性質(zhì)與應(yīng)用的科學(xué)，是當代材料科學(xué)的物理學(xué)基礎(chǔ)。凝聚態(tài)物理學(xué)研究的方向主要有：高溫超導(dǎo)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(tǒng)、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(dǎo)材料/半金屬材料/異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shù)、伏安特性、臨界電流等；磁學(xué)測試如：交流磁化率、磁滯回線，磁阻等；熱學(xué)測試如：比熱、熱磁曲線、熱電效應(yīng)、塞貝克系數(shù)、熱導(dǎo)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、壓力變化的規(guī)律，以及相關(guān)的物理效應(yīng)如Shubnikov-de Haas量子振蕩、量子霍爾效應(yīng)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(zhàn)與應(yīng)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(dǎo)）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(yīng)及對測試結(jié)果的誤差因素。

 

2)     需要極小或極大電阻的測試。在超導(dǎo)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(nèi)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(dǎo)，此時信號往往淹沒在噪聲中，PPMS內(nèi)置測試選件往往不能滿足要求。

 

為應(yīng)對電輸運測試面臨的挑戰(zhàn)，在PPMS的基礎(chǔ)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(gòu)成的Delta 模式是兩種主要的應(yīng)對挑戰(zhàn)的方法，兩種方法的框圖如下：

（來源：泰克科技）