磁电子材料

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。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609291741_612654_1611921_3.png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%)。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609291741_612655_1611921_3.png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。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2016/09/201609291741_612657_1611921_3.png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：物理学参数迁移率1 ~ 1 × 106 cm2/vs载流子浓度6 × 108 ~ 6 × 1023 cm-3霍尔系数±1 × 10-5 ~ ±1 × 1010 cm3/C电阻率5 × 10-9 ~ 5 × 106 Ω·cm电学参数电阻100nΩ ~ 100GΩ电流源±0.1pA~±1A(±1.05A@±21V, ±105mA@±210V)电压源±5μV~±200V(±21V@±1.05A, ±210V@±105mA)电流测量±10fA~±1.05A（10pA为最小分辨率）电压测量±1nV~±200V（0.1μV为最小分辨率）磁场环境室温磁场2.6T@10mm间距变温磁场2T@低温恒温器温度（选件）单点液氮盒77K闭循环恒温器4K~325K（4K型），10K~325K（10K型）高温炉325K~1000K其他样品最大尺寸50mm*50mm*3mm样品数量2个（增加选件可扩展到4个）光学配件[