在現(xiàn)代凝聚態(tài)物質(zhì)研究的前沿領(lǐng)域中，低溫電學(xué)輸運(yùn)測量作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)手段，在拓?fù)洳牧稀⒘孔硬牧?、新型超?dǎo)材料以及二維材料和器件等多個(gè)重要研究方向上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。然而，實(shí)際測量環(huán)境較為復(fù)雜且充滿挑戰(zhàn)。極低溫、強(qiáng)磁場、真空等環(huán)境相互疊加，同時(shí)伴隨著制冷機(jī)、壓縮機(jī)、磁體電源、真空泵組等一系列復(fù)雜設(shè)備的運(yùn)行，使得測量環(huán)境中的電磁信號(hào)較為復(fù)雜。而被測信號(hào)例如超導(dǎo)材料、量子輸運(yùn)材料等往往有著較為微弱的信號(hào)幅值。因此，在如此復(fù)雜的環(huán)境中如何準(zhǔn)確檢測到待測樣品的信號(hào)往往是很多科研工作者面臨的棘手問題。

近日，Quantum Design中國科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心憑借前沿的技術(shù)產(chǎn)品和扎實(shí)的專業(yè)能力，在超導(dǎo)材料探索的相關(guān)測量手段上取得了階段性的成果。通過創(chuàng)新性地將Lake Shore 新一代多通道高精度低噪聲綜合電學(xué)測量儀-M81與QuantumDesign無液氦綜合物性測量系統(tǒng)-PPMS DynaCool聯(lián)用，構(gòu)建了一套高精度穩(wěn)定的測量平臺(tái)。在具體的實(shí)驗(yàn)操作中，我們利用樣品托四引線法，通過使用不同激勵(lì)電流（交流鎖相）對(duì)某超導(dǎo)樣品進(jìn)行了測量。為了盡可能降低樣品熱負(fù)載，我們將電流壓縮至μ級(jí)別，整體測量電壓控制在nV量級(jí)，即使面臨如此嚴(yán)苛的測量條件，我們?nèi)匀蝗〉昧撕芎玫慕Y(jié)果。

超導(dǎo)材料在不同激勵(lì)電流下的零場超導(dǎo)轉(zhuǎn)變

隨后我們選取了100μA激勵(lì)電流（交流鎖相）對(duì)該樣品不同磁場下的輸運(yùn)特性進(jìn)行了進(jìn)一步測量，獲得了樣品在不同磁場下對(duì)超導(dǎo)的抑制數(shù)據(jù)?？梢钥吹娇v軸整體電壓仍然在nV量級(jí)，并且在超導(dǎo)態(tài)電壓能夠到0。

超導(dǎo)材料在不同外加背景場下的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變

實(shí)驗(yàn)采用PPMS DynaCool樣品托以及杜瓦側(cè)面的原生Lemo接頭轉(zhuǎn)外接接線盒，通過BNC線纜與新一代多通道高精度低噪聲綜合電學(xué)測量儀-M81相連接。該方案提供了電流源、電壓表以及電壓源、電流表的配置，能夠?qū)崿F(xiàn)直流、交流鎖相、偏置以及交直流混合的測量手段。

得益于Lake Shore M81優(yōu)質(zhì)的低噪聲電流源以及強(qiáng)大的鎖相功能，基于系統(tǒng)原生配置，我們?cè)谖词褂妙~外樣品桿的前提下依然獲得了非常好的測量數(shù)據(jù)。

MeasureReady™ M81-SSM系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，并利用MeasureSync™自主研發(fā)信號(hào)同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源模塊和測量模塊的所有通道最高100kHz的信號(hào)實(shí)時(shí)同步。利用MeasureSync™技術(shù)，M81系統(tǒng)可以在同一時(shí)間對(duì)所有通道進(jìn)行采樣，確保在相同條件下對(duì)被測器件或樣本進(jìn)行測試，獲得一致性的數(shù)據(jù)。

M81采用主機(jī)與模塊的搭配方案

M81主機(jī)是M81 SSM系統(tǒng)的核心。根據(jù)訂購的型號(hào)，儀器支持 2、4 或 6 個(gè)通道，分別包括 1、2 或 3 個(gè)信號(hào)源和 1、2 或 3 個(gè)測量單元。每臺(tái) M81 儀器可管理 1 至 3 個(gè)信號(hào)源通道和 1 至 3 個(gè)測量通道，以便在單個(gè)測試序列中測試多個(gè)被測器件或樣品，而不會(huì)因線路復(fù)雜化和信號(hào)切換造成信號(hào)劣化。此外還可以將多臺(tái)儀器組合起來，進(jìn)一步提高信號(hào)源和測量通道的能力，而不會(huì)降低模擬性能，同時(shí)利用 MeasureSync™ 對(duì)系統(tǒng)內(nèi)所有信號(hào)通道進(jìn)行定時(shí)同步。

M81主機(jī)

該主機(jī)以 MeasureReady™ 儀器平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用圖形化觸摸屏界面進(jìn)行編程控制和監(jiān)測。其符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的前面板具有 TiltView™ 顯示屏，無論是在工作臺(tái)上還是安裝在機(jī)架上，都能獲得超佳的可視性。它還支持標(biāo)準(zhǔn) LAN、USB 和 GPIB 通信。

M81-SSM采用主機(jī)和模塊搭配使用的方案，一個(gè)主機(jī)可以同時(shí)擴(kuò)展至多3個(gè)源表模塊以及至多3個(gè)測量模塊，每個(gè)模塊均可以適配直流以及最高100kHz的測量范圍。具體有以下模塊可供選擇：

1.  VM-10 電壓測量模塊

該模塊提供分辨率從低納伏到 10 V 的直流至 100 kHz 電壓測量，包括振幅、相位和諧波檢測功能。專有的無縫量程技術(shù)允許在增減量程時(shí)進(jìn)行連續(xù)測量。

VM-10 電壓測量模塊

2.  CM-10電流測量模塊

該模塊可在直流至 100 kHz 范圍內(nèi)，以接近零的輸入偏移電壓測量 fA 至 100 mA 的電流，包括幅值、相位和諧波檢測功能。該模塊還具有可配置的硬件和軟件濾波功能。

CM-10電流測量模塊

3. BCS-10電流源模塊

該模塊提供 1 pA 至 100 mA 的可編程電流，最大符合 ±10 V 的直流輸出至 100 kHz 正弦輸出。BCS-10 源自 Lake Shore 前沿的 372 型交流電阻電橋，采用差分或平衡設(shè)計(jì)，有助于減少或消除低溫恒溫器和其他研究設(shè)備中經(jīng)常遇到的接地回路。它擴(kuò)展了 372 型平衡源的功能，增加了可變頻率和振幅編程能力，在保持出色噪聲性能的同時(shí)，提高了靈活性。

BCS-10電流源模塊

4. VS-10電壓源模塊

該模塊可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可編程電壓，最大符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦輸出。VS-10 適用于柵極偏置、電壓掃描 I-V 曲線剖析，以及需要高穩(wěn)定電壓并結(jié)合電流、電阻/電感和其他材料或電子器件測量的應(yīng)用。

VS-10電壓源模塊

不同的模塊搭配也為不同應(yīng)用場景提供了不同的解決方案，常見的測量搭配有：

二維材料，納米線，有機(jī)半導(dǎo)體 VS module + CM module, primarily I-V特性曲線，4引線法 M81優(yōu)勢：低電壓源噪聲，低電流測量噪聲
金屬-絕緣體相變，二維材料，超導(dǎo)材料 BCS module + VM module 交流電阻，表面電阻，交流霍爾 M81優(yōu)勢：交流電流霍爾：電阻和霍爾電壓的同步測量； 在不同頻率的超低溫恒溫器中同時(shí)測量多達(dá)三個(gè)器件
光電二極管和光電晶體管 CM module + occasionally VS module M81優(yōu)勢：可編程偏置電壓源
自旋輸運(yùn) DC/AC: BCS module + VM module M81優(yōu)勢：同步測量電阻、霍爾電壓和諧波霍爾電壓
MIS結(jié)、約瑟夫森結(jié)、晶體管中的缺陷表征 VS module + CM module M81優(yōu)勢：雙 DAC 交流和直流電源
熱電材料、一維材料 AC, BCS module + VM module M81優(yōu)勢：相位相關(guān)電流源，同步諧波檢測

綜合以上這些測量方案， M81-SSM 的強(qiáng)大功能不言而喻，能夠?yàn)閺V大科研工作者提供表征多種測試結(jié)構(gòu)（包括納米結(jié)構(gòu)、單層和多層原子結(jié)構(gòu)、MEM、量子結(jié)構(gòu)、有機(jī)半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料）的超卓解決方案。

此方案由Quantum Design和Lake Shore聯(lián)合推出，整套儀表與PPMS無縫結(jié)合，軟件易用無需額外編程，且支持對(duì)PPMS的控制，真正實(shí)現(xiàn)了外接源表的一站式測量方案。如您對(duì)此感興趣，歡迎隨時(shí)與我們聯(lián)系，目前我們QD中國樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室也提供了免費(fèi)樣品Demo測試的服務(wù)，歡迎前來體驗(yàn)。

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