QuantumDesign中国科学实验中心新成果！PPMS与综合电学测量仪联用，解锁超导材料nV量级小信号测试方案
发布日期：2024-12-31
在现代凝聚态物质研究的前沿领域中，低温电学输运测量作为一项关键技术手段，在拓扑材料、量子材料、新型超导材料以及二维材料和器件等多个重要研究方向上发挥着至关重要的作用。然而，实际测量环境较为复杂且充满挑战。极低温、强磁场、真空等环境相互叠加，同时伴随着制冷机、压缩机、磁体电源、真空泵组等一系列复杂设备的运行，使得测量环境中的电磁信号较为复杂。而被测信号例如超导材料、量子输运材料等往往有着较为微弱的信号幅值。因此，在如此复杂的环境中如何准确检测到待测样品的信号往往是很多科研工作者面临的棘手问题。
近日，Quantum Design中国科学实验中心凭借前沿的技术产品和扎实的专业能力，在超导材料探索的相关测量手段上取得了阶段性的成果。通过创新性地将Lake Shore 新一代多通道高精度低噪声综合电学测量仪-M81与QuantumDesign完全无液氦综合物性测量系统-PPMS DynaCool联用，构建了一套高精度稳定的测量平台。在具体的实验操作中，我们利用样品托四引线法，通过使用不同激励电流（交流锁相）对某超导样品进行了测量。为了尽可能降低样品热负载，我们将电流压缩至μA级别，整体测量电压控制在nV量级，即使面临如此严苛的测量条件，我们仍然取得了很好的结果。
超导材料在不同激励电流下的零场超导转变
随后我们选取了100μA激励电流（交流锁相）对该样品不同磁场下的输运特性进行了进一步测量，获得了样品在不同磁场下对超导的抑制数据。可以看到纵轴整体电压仍然在nV量级，并且在超导态电压能够到0。
超导材料在不同外加背景场下的超导转变
实验采用PPMS DynaCool样品托以及杜瓦侧面的原生Lemo接头转外接接线盒，通过BNC线缆与新一代多通道高精度低噪声综合电学测量仪-M81相连接。该方案提供了电流源、电压表以及电压源、电流表的配置，能够实现直流、交流锁相、偏置以及交直流混合的测量手段。
得益于Lake Shore M81优质的低噪声电流源以及强大的锁相功能，基于系统原生配置，我们在未使用额外样品杆的前提下依然获得了非常好的测量数据。
MeasureReady™ M81-SSM系统采用模块化设计，并利用MeasureSync™自主研发信号同步技术实现信号源模块和测量模块的所有通道最高100kHz的信号实时同步。利用MeasureSync™技术，M81系统可以在同一时间对所有通道进行采样，确保在相同条件下对被测器件或样本进行测试，获得一致性的数据。
M81采用主机与模块的搭配方案
M81主机是M81 SSM系统的核心。根据订购的型号，仪器支持 2、4 或 6 个通道，分别包括 1、2 或 3 个信号源和 1、2 或 3 个测量单元。每台 M81 仪器可管理 1 至 3 个信号源通道和 1 至 3 个测量通道，以便在单个测试序列中测试多个被测器件或样品，而不会因线路复杂化和信号切换造成信号劣化。此外还可以将多台仪器组合起来，进一步提高信号源和测量通道的能力，而不会降低模拟性能，同时利用 MeasureSync™ 对系统内所有信号通道进行定时同步。
M81主机
该主机以 MeasureReady™ 仪器平台为基础，采用图形化触摸屏界面进行编程控制和监测。其符合人体工程学设计的前面板具有 TiltView™ 显示屏，无论是在工作台上还是安装在机架上，都能获得超佳的可视性。它还支持标准 LAN、USB 和 GPIB 通信。
M81-SSM采用主机和模块搭配使用的方案，一个主机可以同时扩展至多3个源表模块以及至多3个测量模块，每个模块均可以适配直流以及最高100kHz的测量范围。具体有以下模块可供选择：
1. VM-10 电压测量模块
该模块提供分辨率从低纳伏到 10 V 的直流至 100 kHz 电压测量，包括振幅、相位和谐波检测功能。专有的无缝量程技术允许在增减量程时进行连续测量。
VM-10 电压测量模块
2. CM-10电流测量模块
该模块可在直流至 100 kHz 范围内，以接近零的输入偏移电压测量 fA 至 100 mA 的电流，包括幅值、相位和谐波检测功能。该模块还具有可配置的硬件和软件滤波功能。
CM-10电流测量模块
3. BCS-10电流源模块
该模块提供 1 pA 至 100 mA 的可编程电流，最大符合 ±10 V 的直流输出至 100 kHz 正弦输出。BCS-10 源自 Lake Shore 前沿的 372 型交流电阻电桥，采用差分或平衡设计，有助于减少或消除低温恒温器和其他研究设备中经常遇到的接地回路。它扩展了 372 型平衡源的功能，增加了可变频率和振幅编程能力，在保持出色噪声性能的同时，提高了灵活性。
BCS-10电流源模块
4. VS-10电压源模块
该模块可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可编程电压，最大符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦输出。VS-10 适用于栅极偏置、电压扫描 I-V 曲线剖析，以及需要高稳定电压并结合电流、电阻/电感和其他材料或电子器件测量的应用。
VS-10电压源模块
不同的模块搭配也为不同应用场景提供了不同的解决方案，常见的测量搭配有：
| 二维材料，纳米线，有机半导体 VS module + CM module, primarily I-V特性曲线，4引线法 M81优势：低电压源噪声，低电流测量噪声 |  | |
金属-绝缘体相变，二维材料，超导材料 BCS module + VM module 交流电阻，表面电阻，交流霍尔 M81优势：交流电流霍尔：电阻和霍尔电压的同步测量； 在不同频率的超低温恒温器中同时测量多达三个器件 | ||
光电二极管和光电晶体管 CM module + occasionally VS module M81优势：可编程偏置电压源 | ||
自旋输运 DC/AC: BCS module + VM module M81优势：同步测量电阻、霍尔电压和谐波霍尔电压 | ||
MIS结、约瑟夫森结、晶体管中的缺陷表征 VS module + CM module M81优势：双 DAC 交流和直流电源 | ||
热电材料、一维材料 AC, BCS module + VM module M81优势：相位相关电流源，同步谐波检测 |
综合以上这些测量方案， M81-SSM 的强大功能不言而喻，能够为广大科研工作者提供表征多种测试结构（包括纳米结构、单层和多层原子结构、MEM、量子结构、有机半导体和超导材料）的超卓解决方案。
此方案由Quantum Design和Lake Shore联合推出，整套仪表与PPMS无缝结合，软件易用无需额外编程，且完全支持对PPMS的控制，真正实现了外接源表的一站式测量方案。如您对此感兴趣，欢迎随时与我们联系，目前我们QD中国样机实验室也提供了免费样品Demo测试的服务，欢迎前来体验。
扫码即刻预约体验吧！
