多铁磁电测量系统

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[

多功能磁电测量设备控场故障维修原创：李扬 博士(南京航空航天大学)推荐：陆俊 工程师(中科院物理所)一句话推荐理由：带博士维修就是轻松，动下嘴皮子谈笑间即将仪器功能恢复，而且下次碰到故障可能嘴皮子都不用动了:-)。一、背景介绍南京航空航天大学的多功能磁电测量设备是2010年陆俊工程师基于自主的弱信号测量技术研制安装的一套集磁阻抗测量、磁电耦合测量、磁交流IV测量与磁致伸缩测量的多功能磁电测量设备，设备照片如图1所示。自2011年开始投入使用5年多以来一度运行平稳，帮助课题组筛选新型磁性材料和磁性器件性能优化做出了贡献，并发表了Appl. Phys. Lett.等期刊论文约20篇。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/01/201701191701_668642_1611921_3.jpg图1 设备照片二、故障现象涉及到变场测量时，手动模式工作正常，但切换到程序控制的自动测量后，磁场的直流电源工作电压、电流不变化，无法控制磁场。三、原因分析磁电设备对磁场的控制系统有3级组成：（1）第一级为电脑，即软件部分，用以设定需要的磁场参数，整个自动测量控制系统都是由这里来控制的；（2）第二级为控制箱，这是连接电脑与电磁铁的枢纽，包括3个数模板，用以将控制信号转换为直流电源能接受的信号；（3）第三级为直流电源，这是接受控制信号、并将其转化为相应磁场的部分。一般各部分硬件寿命较长，因此，工作电压、电流出问题，需检测是否为各级联通部分出故障。四、维修过程由直流电源到电脑逐级检查。1.直流电源。这里要检测的是控制信号输入端，如图2所示，其中1-2口控制磁场的正负，3-4口控制磁场的大小。检测时，万用表调至直流电压档，电脑端分别输入任意一正向扫场场强和一负向扫场场强。当正向场强检测时，1-2口显示应为0V；当负向场强检测时，1-2口显示应为5V。3-4口的示数应随着设定磁场的增大而增大，但无具体数值供参考。若满足该情况，则可能直流电源出现故障；若不满足，则向上一级——控制箱——检测。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016072120061771_01_1611921_3.png图2 控制信号输入端及接口示意图2.控制箱。首先检测控制箱与直流电源的接线处有无故障。其接口分布如图2（a）所示。其中1-2口控制磁场的正负，3-4口控制磁场的大小。检测时，万用表调至直流电压档，电脑端分别输入任意一正向扫场场强和一负向扫场场强。当正向场强检测时，1-2口显示应为0V；当负向场强检测时，1-2口显示应为5V。3-4口的示数应随着设定磁场的增大而增大，但无具体数值供参考。若结果满足该情况，则是控制箱与直流电源间的导线出问题；若仍不满足，则可能存在两个问题：（1）电脑数模板损坏（2）可能存在短路。3.对于问题（2）。将控制箱与电脑断开连接，万用表调至蜂鸣档，分别检测1-2口和3-4口内部连线，若无短路，应无蜂鸣声。以1-2口为例，如图2（c）所示，将万用表笔分别放在1-2连线所经过两红圈上，本次检测未发出蜂鸣声，表明1-2口不存在短路。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016072120062193_01_1611921_3.png图3 控制箱接线口及示意图4.本次检测至步骤3时，无蜂鸣声，因此判断电脑中数模板损坏，将其更换，型号为DA6632。更换过程如图4所示，先将主机箱侧盖打开，再将数模板的固定块取下，旧板拔出后（有一个小插曲是，感叹5年IT硬件发展的变迁，旧板与新板的PCI固定板上卡槽与安装孔之间的尺寸稍微有些差异，无法整体更换，但仔细一看发现二者之间可以交换固定板，于是将卡槽螺丝拆下来装到原来的固定板上），将新板各开关掰下来，然后插入原位置，更换完成，并依次复原。随后对磁场进行了校正，设定为-4V~+4V，200个点，该过程中直流电源工作电压、电流明显随着磁场的线性变化逐渐改变，其中最高电压为88~89V，最高电流在40-50A，正常校准结束后进行自动控制扫场测量未发现问题，至此故障排除。http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/10/2016072120062536_01_1611921_3.png图4 数模板更换过程示意图五、原因与建议分析数模板的损坏原因，很可能来自于电网的尖脉冲或浪涌的冲击；或者由于磁场电源在强磁场工作时遭遇意外断电导致较大的电磁冲击。为了保障设备的稳定运行，要尽可能避免因为供电系统的问题对测量系统的影响，因而建议加装不间断电源系统UPS，有效降低电网干扰对测量系统影响，延长断电情况下的用户处置时间。