2016国产磁测量好仪器系列之四：磁电输运性质测量系统ET-9000系列

2016国产磁测量好仪器系列之四：磁电输运测量系统ET-9000

原创：刘小军、刘卫滨、李鹏飞 工程师，北京东方晨景科技有限公司

推荐：陆俊 工程师，中科院物理所磁学室

2016年9月25日

一句话推荐理由：从引进吸收到成功集成改良的磁测量好仪器。

一、引言

电阻是人们借助电传输能量与信息时必须面临的基本物理现象，它导致电损耗及发热，因而几乎所有的电学材料都有必要考察其电阻率。对于电阻或电阻率的测量比较陌生的读者可以看一篇相关通俗意义的介绍“电阻测量的光与影”。本文要介绍的是磁场下电输运测量，根据加载磁场与电流的方向可以分为纵向磁阻(或简称磁阻效应)与横向磁阻(或简称霍尔效应)。进行磁电输运测量的意义在于磁自由度引入，通过电阻率随磁场的变化规律不仅仅可以用来测量磁场的大小，而且让电阻能展现出更深层次物质结构的信息(比如因晶格或拓扑等因素带来的电子自旋相关的能带结构变化)。其中最吸引人的是电子能量结构的量子化过程，竟可以只是通过简单的通过加磁场测电阻的方法予以揭示，参考图1，如1985年的诺贝尔物理学奖颁发给Klaus von Klitzing的量子霍尔效应、1998年的诺贝尔物理学奖颁发给崔琦等三位物理学家的分数量子霍尔效应、2007年诺贝尔物理学奖颁发给Albert Fert与Peter Gruenberg的巨磁电阻效应以及不久前中国刚公布的“未来科学奖”颁发给清华大学薛其坤的量子反常霍尔效应等奇特量子效应(也有可能在不久的将来获得诺贝尔奖)。因而磁场下进行电输运测量成为凝聚态物理学研究中的家常便饭式的手段。

图1 磁电输运测量相关的诺贝尔奖级别工作图示

二、背景

磁电输运测量相关的仪器虽然很轻松就能实现，但要达到在证明被研究物质的奇特量子性质并不容易。其中涉及到的主要技术不仅仅是电压与电流的稳定测量，还包括磁场的稳定与测量，此外还可能涉及到低噪声的低温甚至光学配件等，因而其综合性导致其从头开始的研发周期较长。几十年来，磁电输运测量仪器主要来自于美国的量子设计公司与Lakeshore两家公司。北京东方晨景科技有限公司从20世纪末开始引进代理Lakeshore公司设备，经过十多年的消化吸收，逐步掌握了国外公司在输运测量、磁场电源、低温等系统集成方面的技术，不仅如此，还针对国外公司在应用过程中的让用户感到不便的软硬件问题，进行了自主的改良研制，逐步形成ET-9000测量系统，系统照片如图2所示，该系统从2010年正式推出至今，明显的增加了国内外磁电输运测量仪器系统的比例(约从20%上升到40%)。

图2 ET-9000 型磁电输运测量仪器照片

三、简介

ET-9000系列磁电输运性质测试系统是集霍尔效应、磁阻、变温电阻、I-V特性等测试于一体的全自动化测试系统，其总体原理框图如图3所示。系统全面地考虑了集成一体性、屏蔽防干扰能力和操作人性化等用户经常忽略的问题，选取了美国Keithley的电测量仪表，高精度高稳定性电磁铁平台，配备灵巧的测量样品杆和快速插拔样品卡，加上全自动化的专用测试软件，能让用户快速方便地进行电输运测试，并获得准确可靠的数据。

图3 ET-9000磁电输运测量仪器的测试原理框图

ET-9000根据不同的材料不同的测试需求分为多种型号，综合各类型号，其主要技术指标列表如下：

图4 中心开光学孔的电磁铁极头图片

图5 样品台线路板

图6 系统软件截图

四、验证

该测试系统中的电磁铁平台最大的特点：一、拥有磁场模式，可以直接用磁场反馈快速输出目标磁场；二、适合长时间高场下高稳定性运行。第一个特点，是有别于传统的电磁铁平台，在电源的内部安装了一个高精度高斯计，面板如图7所示，无需外部的软件来反馈控制，可以直接在通过电源的面板或者远程的指令来输出目标磁场。

图7 磁场控制电源面板照片

值得一提的是第二个特点，特意采用东方晨景的电磁铁平台和国内某其他电磁铁平台在高场下进行了长时间的测试，两组测试在同样的系统规定的满载情况下进行。结果显示，东方晨景的电磁铁平台在24小时强场下磁场波动±0.5G，对比的某其他电磁铁平台在1小时内波动约1.2KG。 主要原因有两个：1、电磁铁的散热情况影响线圈的阻值，如果散热不好，线圈的阻值随着线圈温度的上升而上升，电源在电压满载的情况下，负载电阻变大，导致输出电流变小，从而导致输出的磁场也变小；2、在电磁铁本身散热好的条件下，稳定控制磁场主要靠的是电源的精度和稳定性，东方晨景的电源为24bit分辨率，波动最优小于3ppm/h，如图8所示，为稳定控制磁场提供了基础。

图8 磁场电源控制稳定性曲线结果

系统进行可以进行霍尔效应、R-H特性、R-T特性和I-V特性的测量；可得出参数：方块电阻、电阻率、霍尔系数、霍尔迁移率、载流子浓度和导电类型；可绘制以上参数随温度或磁场的变化曲线，以及I-V特性——不同磁场和不同温度下的I-V特性曲线；R-H特性——固定温度，电阻随着磁场变化的特性曲线；R-T特性——固定磁场，电阻随着温度变化的特性曲线；典型客户样品的数据曲线如图9所示。

图9 典型客户样品的数据曲线举例

五、结论

经过在国外仪器引进吸收而改良开发出来的磁电输运测量系统ET-9000可提供长时间高稳定性的磁场，24小时稳定性<±0.5G，并且磁场能够平滑过零；电阻率、霍尔系数及霍尔迁移率测试遵从美国材料与试验协会ASTM-F76标准；电阻测量范围宽：100nΩ（低电阻选件）~ 100GΩ（高阻系统）；使用插入式样品卡，样品安装方便，同时提供四探针卡，免去制作电极的麻烦，能满足各高校、科研单位的高端电输运测量需求。

六、致谢

无

七、参考文献

无