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相關(guān)產(chǎn)品：HF2LI，MFLI 

背景介紹

霍爾效應(yīng)作為進(jìn)行半導(dǎo)體材料研究中經(jīng)常用到的物理現(xiàn)象，它已被廣泛應(yīng)用到材料表征和傳感器方面。我們可以通過霍爾效應(yīng)來測試材料的導(dǎo)電性能。在材料的導(dǎo)電性能已知情況下，可以利用霍爾電壓與磁場強(qiáng)度的線性關(guān)系，制作探測磁場強(qiáng)度的傳感器。除了常規(guī)的霍爾效應(yīng)，目前發(fā)展起來的量子霍爾效應(yīng)開創(chuàng)了凝聚態(tài)物理研究的新領(lǐng)域，量子輸運(yùn)。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，從宏觀的霍爾效應(yīng)到量子霍爾效應(yīng)，反映著人類認(rèn)識自然世界的不斷深入。基于霍爾效應(yīng)，發(fā)展起來的量子輸運(yùn)，絕緣拓?fù)洳牧涎芯恳彩悄壳拔锢韺W(xué)的前沿領(lǐng)域。那么如何高效，準(zhǔn)確的測試霍爾效應(yīng)就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的范德堡法，利用直流換向抵消其他物理效應(yīng)帶來的誤差，但是由于需要一個(gè)溫度下多次測量造成采樣延遲，而樣品的溫度會隨時(shí)間發(fā)生變化，所以需要保證樣品的溫度不變。復(fù)雜的操作也帶來實(shí)驗(yàn)時(shí)間很長的缺點(diǎn)。新的測量方法在原有的直流換向法基礎(chǔ)上，利用調(diào)制磁場交流樣品電流，使用鎖相放大器快速檢測出霍爾電壓，獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短為傳統(tǒng)方法的1/10，并且提高信號的信噪比。

實(shí)驗(yàn)裝置

圖1.實(shí)驗(yàn)裝置

霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置由溫控模塊，勵(lì)磁模塊，控制模塊，測試模塊組成。上圖為調(diào)制磁場交流霍爾效應(yīng)測試裝置。黃色的線圈代表勵(lì)磁線圈，通過勵(lì)磁電流產(chǎn)生和樣品夾角成90度的均勻磁場。控制模塊一般為PC，在傳統(tǒng)的直流方法中結(jié)合已經(jīng)成熟的范德堡法，通過上位機(jī)軟件改變激勵(lì)，測試電流的方向并將電壓測試結(jié)果取平均來抵消測試過程中伴隨的其他物理效應(yīng)帶來的誤差，獲得較為準(zhǔn)確的測試結(jié)果。但是這種直流方法由于存在不可克服的缺點(diǎn)，例如低頻段的1/F噪聲，長時(shí)間測量帶來的漂移現(xiàn)象等，不僅實(shí)驗(yàn)時(shí)間長，而且實(shí)驗(yàn)的信噪比差。通過交流測量方法，可以有效避免上述直流測試方法的不利影響，我們通過交流樣品電流，利用鎖相放大器檢測霍爾電壓，將測試頻段搬到中頻或者高頻上避免實(shí)驗(yàn)的低頻段背景噪聲的影響，同時(shí)讓一天甚至一周的實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮減到1/10，可以大大提高實(shí)驗(yàn)效率。另外在變溫霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，已有研究證實(shí)交流測試等效于范德堡法，可以有效避免四次換向測量，采樣延長帶來的樣品和磁鐵的溫度變化問題。

圖2.變溫霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（交流測試方法）

在量子霍爾效應(yīng)中由Vxx導(dǎo)出的ρxx（xx方向的電導(dǎo)率）會出現(xiàn)SDH震蕩，原因在于朗道能級穿過費(fèi)米面，導(dǎo)致費(fèi)米面上的載流子態(tài)密度呈現(xiàn)周期性變化。Vxy導(dǎo)出的ρxy會出現(xiàn)平臺現(xiàn)象，原因在于只有磁場強(qiáng)度達(dá)到下一個(gè)朗道能級強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)帶的電子才會增加，跳躍突變到下一個(gè)平臺。這些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有力的證明了量子力學(xué)的成功性，是研究量子輸運(yùn)和絕緣拓?fù)洳牧系臉蛄骸?/span>

圖3.量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)象

鎖相測量策略

圖4.MFLI測試霍爾效應(yīng)方法

利用數(shù)字鎖相進(jìn)行霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)如圖所示。這里我們分別測量兩個(gè)方向的電壓，一個(gè)是縱向的Vxx，另一個(gè)是橫向的霍爾電壓Vxy。利用Vxx我們可以得到載流子遷移率，Vxy可以得到載流子濃度和載流子類型。我們利用比樣品電阻大的多的電阻RL來限制電流，可以認(rèn)為電流是恒定的。交流測試信號通過MFLI的輸出產(chǎn)生，通過電阻從電壓變成電流。由于Vxx和Vxy要求測試具有同步性，利用MFLI的同步模塊，使時(shí)鐘同步，其結(jié)果相當(dāng)于用一臺機(jī)器同時(shí)測試Vxx和Vxy。另外測量霍爾效應(yīng)時(shí)，默認(rèn)電流是常數(shù)，然而實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，電流總是會因?yàn)楦鞣N因素發(fā)生變化，例如電阻隨溫度導(dǎo)致阻值變化。MFLI有電流輸入端口，如果安裝了MF-MD選件可以在一臺MFLI上同時(shí)測試霍爾電壓和電流，減小實(shí)驗(yàn)誤差。利用MFLI的差分輸入，可以直接測量電勢差，而不用分別測量兩個(gè)位置的電壓再相減。

圖5.HF2LI測試方法

此外也可以利用蘇黎世的另外一款產(chǎn)品HF2進(jìn)行霍爾效應(yīng)測量，對比MFLI由于具有雙通道輸入，可以在一臺儀器上實(shí)現(xiàn)Vxx和Vxy電壓測量。

相關(guān)產(chǎn)品優(yōu)勢

圖6.HF2LI設(shè)備

• 2路DC - 50 MHz 14-bit 電壓輸入

• 自帶的優(yōu)秀Labone控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)PID，PLL控制和掃描設(shè)置。(需要PID選件)

• 適配的HF2TA電流前置放大器

• 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

圖7.MFLI設(shè)備

• DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 電流電壓輸入

• 高達(dá)4路PID和PLL鎖相環(huán) (需要MF-PID選件)

• 短時(shí)間常數(shù)：337ns到83s

• 支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

選擇蘇黎世儀器的優(yōu)勢

• 您可以執(zhí)行快速、靈敏的交流測量以達(dá)到高信噪比 (SNR)。

• 高靈敏度，可以檢測微小的信號在大的背景噪聲中。

• 我們的儀器支持精確的儀器同步和數(shù)據(jù)對齊（利用 MDS 功能），并可在同一用戶界面中顯示，因此便于測量采集和數(shù)據(jù)分析。

• 高效的Lanbone控制軟件。

• 電流輸入端口，可以用來測量電流。利用MF-MD選件可以在一臺MFLI上同時(shí)檢測霍爾電壓和電流。