推荐厂家
暂无
暂无
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[
材料综合物性综合测量系统(PPMS)原理及应用 美国Quantum Design 公司的产品PPMS( Physics Property Measurement System) 是在低温和强磁场的背景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等综合测量系统。北京科技大学材料学院与美国Quantum Design 公司在北京科技大学材料学院实验中心联合成立了PPMS材料综合物性测量研究实验室,安装了PPMS-9综合物性测量系统、HH-15振动样品磁强计、材料磁电阻效应、霍尔效应及磁致伸缩效应测量仪等仪器,现已全面对学生教学和科研测试开放。 一、实验目的 1、了解PPMS-9综合物性测量系统的结构、组成、测量原理及应用范围; 2、熟悉PPMS-9仪器开关机步骤及更换样品、测量附件的方法; 3、熟悉PPMS-9仪器软件控制程序及参数设置方法; 二、PPMS仪器测量原理和方法 PPMS是Quantum Design 公司在成功推出MPMS1之后,于20 世纪90 年代中期推出的又一款产品。一个完整的PPMS 系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成,根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7 特斯拉、9 特斯拉、14 特斯拉和16 特斯拉系统。但与MPMS 专注于磁测量不同,PPMS 在基系统搭建的温度和磁场平台上,利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。基系统主要包括软件操作系统,温控系统,磁场控制系统,样品操作系统和气体控制系统。下面结合各种选件对PPMS 的测量原理和方法加以说明。 1. 交直流磁化率选件 该选件是研究各种材料在低温下磁行为的主要设备之一,包括探杆、样品杆、伺服电机、电子控制部分、精密电源和软件部分(集成于系统软件) 。可以在同一程序中对一个样品先后进行交流磁化率和直流磁化强度的测量而不需要对样品进行任何调。样品杆处于探杆的中间,样品置于样品杆的一端,样品杆的另一端连接在伺服电机上。探杆之外由内到外依次由校正线圈组(用于消除仪器电子装置自身带来的信号增益和漂移) 、抗磁温度计、样品磁矩探测线圈、AC 驱动线圈(用于提供交流磁场) 以及AC 驱动补偿线圈(用于把交流磁场限制在线圈内部、防止它和外部的测量装置相互作用) 组成。 AC 磁化率测量原理 交流激发信号被输入到交流驱动线圈中,伺服电机驱动样品依次到两个绕向相反的探测线圈的中心,同时,与时间相关的样品信号被收集。把测得的样品在两个探测线圈中心的信号相减以消除驱动线圈和探测线圈间的随机相互作。通过对多次测量的采样和平均,可以减少测量过程中的信号噪音。与一般交流磁化率测量仪器相比,PPMS上AC磁化率测量装置有两个特点值得指明:首先它没有采用传统的单相锁相技术来处理信号,而是采用高速数字信号处理器(DSP),这样它不仅提高信噪比、加快测量速度,而且还不再需要在实部信号和虚部信号之间进行转换。其次,对于如何消除仪器电子设备自身给测量数据带来的增益或漂移的技术问题,PPMS上AC 磁化率测量装置使用校正线圈。在每次测量之前把校正线圈接入到探测线圈线路中,进行正向和反向的测量,比较探测信号与初始激发信号的差别,进而修正仪器本身电子设备引起的相漂移。同样道理,校正线圈还可以精确的校正实际所加交流磁场强度的幅值,提高B - H 测量精度。正因为如此,PPMS上AC 磁化率测量装置在允许的工作频段内(10Hz~10kHz) 的测量精度可以达到与SQUID 相媲美的程度。DC磁矩测量:采用提拉法,样品速度可达1m/ s。 该选件的技术指标如下: AC 磁化率灵敏度:2 x 10-8emu @10 kHz DC 磁矩测量灵敏度:2.5 x 10-5emu AC 驱动频率:10 Hz~10 kHz AC 驱动磁场幅值:0.002~ 15 Oe DC 提拉速度:100 cm/ s 样品尺寸: 直径7.5 mm 2. 比热测量选件 该选件是结合了绝热法和弛豫法,利用双τ模型精确的计算样品的比热。在测量过程中,系统处于高真空状态,样品的顶部有遮热屏。整个样品平台温度非常相近。这样,严格限制热量通过对流和辐射散失。与实时数据采集系统相结合,从而实现对热流密度和温度、时间的精确监控。该选件配有两个专用温度计和一个加热器件,实现精确控温。这样,通过实验曲线和数学模型相结合,就可以得到样品的比热。另外,软件会假设样品和样品托传热不理想,这样引进两者之间的导热系数,用另外一套模型进行拟合,最后,在二者中选择拟合结果更加合理的一个。 该选件有以下几个优点:方便的将样品安装到高真空系统中,不需要插入探测器; 特殊的仪器设计使得那些对于比热测量不熟悉的人也能很容易进行操作;完备的数据采集电子器件和分析软件;自动的微观量热学驰豫技术;自动校准程序和内置的背景比热消除功能;在每一个测量点对德拜温度的进行校正和记录。 该选件的技术指标如下: 温度范围:1.9~400 K (配相关选件将达 300 K 塞贝克系数: S = ΔV/ΔT 测量范围: μV/ K - V/ K 误差大小: ±5 % 或±0.5μV 热电品质因数: ZT = S2T/ (ρκ) 复合误差: ±15 % —基本上依赖于S 数据获取速度:(连续数据采集) 一般±0.5 K/ min,从390~119 K的测量需要 13 个小时 5. 扭矩磁强计选件 该选件是QD 公司与IBM公司共同开发,专为测量小尺寸的各向异性样品而设计,提供全自动测量与角度有关的磁矩的途径。该选件采用压电转换技术来测量扭矩,将惠斯通电桥集成在扭矩测量芯片中从而达到电路高度平衡和稳定性。芯片上集成了校准电流线圈从根本上消除了地球引力作用的影响。 该选件的技术指标如下: 均方根扭矩噪音: 1 ×10-9Nm for 40 s 采样 均方根磁矩灵敏度:1 ×10 - 7emu @9T fo
材料综合物性综合测量系统(PPMS)原理及应用王立锦编北京科技大学材料学院实验测试中心2007年6月材料综合物性综合测量系统(PPMS)原理及应用 美国Quantum Design 公司的产品PPMS(Physics Property Measurement System) 是在低温和强磁场的背景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等综合测量系统。北京科技大学材料学院与美国Quantum Design 公司在北京科技大学材料学院实验中心联合成立了PPMS材料综合物性测量研究实验室,安装了PPMS-9综合物性测量系统、HH-15振动样品磁强计、材料磁电阻效应、霍尔效应及磁致伸缩效应测量仪等仪器,现已全面对学生教学和科研测试开放。一、实验目的 1、了解PPMS-9综合物性测量系统的结构、组成、测量原理及应用范围; 2、熟悉PPMS-9仪器开关机步骤及更换样品、测量附件的方法; 3、熟悉PPMS-9仪器软件控制程序及参数设置方法;二、PPMS仪器测量原理和方法PPMS是Quantum Design 公司在成功推出MPMS1之后,于20 世纪90年代中期推出的又一款产品。一个完整的PPMS 系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成,根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7 特斯拉、9特斯拉、14 特斯拉和16特斯拉系统。但与MPMS 专注于磁测量不同,PPMS 在基系统搭建的温度和磁场平台上,利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。基系统主要包括软件操作系统,温控系统,磁场控制系统,样品操作系统和气体控制系统。下面结合各种选件对PPMS 的测量原理和方法加以说明。1. 交直流磁化率选件 该选件是研究各种材料在低温下磁行为的主要设备之一,包括探杆、样品杆、伺服电机、电子控制部分、精密电源和软件部分(集成于系统软件) 。可以在同一程序中对一个样品先后进行交流磁化率和直流磁化强度的测量而不需要对样品进行任何调。样品杆处于探杆的中间,样品置于样品杆的一端,样品杆的另一端连接在伺服电机上。探杆之外由内到外依次由校正线圈组(用于消除仪器电子装置自身带来的信号增益和漂移) 、抗磁温度计、样品磁矩探测线圈、AC 驱动线圈(用于提供交流磁场) 以及AC 驱动补偿线圈(用于把交流磁场限制在线圈内部、防止它和外部的测量装置相互作用) 组成。 AC 磁化率测量原理 交流激发信号被输入到交流驱动线圈中,伺服电机驱动样品依次到两个绕向相反的探测线圈的中心,同时,与时间相关的样品信号被收集。把测得的样品在两个探测线圈中心的信号相减以消除驱动线圈和探测线圈间的随机相互作。通过对多次测量的采样和平均,可以减少测量过程中的信号噪音。与一般交流磁化率测量仪器相比,PPMS上AC磁化率测量装置有两个特点值得指明:首先它没有采用传统的单相锁相技术来处理信号,而是采用高速数字信号处理器(DSP),这样它不仅提高信噪比、加快测量速度,而且还不再需要在实部信号和虚部信号之间进行转换。其次,对于如何消除仪器电子设备自身给测量数据带来的增益或漂移的技术问题,PPMS上AC 磁化率测量装置使用校正线圈。在每次测量之前把校正线圈接入到探测线圈线路中,进行正向和反向的测量,比较探测信号与初始激发信号的差别,进而修正仪器本身电子设备引起的相漂移。同样道理,校正线圈还可以精确的校正实际所加交流磁场强度的幅值,提高B - H 测量精度。正因为如此,PPMS上AC 磁化率测量装置在允许的工作频段内(10Hz~10kHz) 的测量精度可以达到与SQUID 相媲美的程度。DC磁矩测量:采用提拉法,样品速度可达1m/ s。 该选件的技术指标如下:AC 磁化率灵敏度:2 x 10-8emu @10 kHzDC 磁矩测量灵敏度:2.5 x 10-5emuAC 驱动频率:10 Hz~10 kHzAC 驱动磁场幅值:0.002~ 15 OeDC 提拉速度:100 cm/ s样品尺寸:直径7.5 mm2. 比热测量选件 该选件是结合了绝热法和弛豫法,利用双τ模型精确的计算样品的比热。在测量过程中,系统处于高真空状态,样品的顶部有遮热屏。整个样品平台温度非常相近。这样,严格限制热量通过对流和辐射散失。与实时数据采集系统相结合,从而实现对热流密度和温度、时间的精确监控。该选件配有两个专用温度计和一个加热器件,实现精确控温。这样,通过实验曲线和数学模型相结合,就可以得到样品的比热。另外,软件会假设样品和样品托传热不理想,这样引进两者之间的导热系数,用另外一套模型进行拟合,最后,在二者中选择拟合结果更加合理的一个。 该选件有以下几个优点:方便的将