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“源”察秋毫 -- Keithley在二维金属资料钻研中的利用
Wanbo| 2025-03-26|Return to List
二维金属资料

近日中国科学院物理钻研所张广宇、杜罗军团队通过范德华挤压技术成功造备出原子级厚度的二维金属资料(如铋、锡、铅等),实现了非层状金属在量子限域下的不变存在【1】 ?蒲腥嗽惫鄄斓搅诵碌纳幽J健⑶苛壹忧康牡绲悸省⒂涤衟型行为的显著场效应和大的非线性霍尔电导率。尝试证明单层铋资料展示出9.0×10?S/m 的室温电导率,较块体资料提升一个数量级,并观测到巨非线性霍尔响应(σ?ω≈0.22μm V??Ω??),为量子器件、柔性电子等领域启发了新方向。

经典二维资料以其原子级厚度、怪异的电学/机械机能和多样的结构,成为纳米技术领域的基础资料,和二维金属资料相比在结构、电学行为和不变性方面有较大分歧。

个性

经典二维资料(如石墨烯、MoS?)

二维金属资料(如单层铋)

结构

层状,范德华堆叠

非层状,依赖表部封装不变

电学行为

半导体 / 绝缘体 / 半金属

金属性, 高电导率(如Bi达9×10?S/m)

不变性

空气不变(h-BN、石墨烯)

需封装(如MoS?包裹)

典型利用

晶体管、传感器

量子器件、高频元件

正由于二维金属资料展示的个性,使得量子器件及其机理有可能产生新的突破,基于单层铋的平带个性与强关联效应,其巨非线性霍尔响应为量子推算中的 Berry 曲率调控提供了梦想平台。并且二维金属的高电导率(9.0×10?S/m)与低功耗调控个性,使其成为超薄互联或高频晶体管沟通的主题资料。

二维资料电学测试和表征及重要测试设备重要蕴含:

?  四探针法测试方块电阻:6517或4200A

?  TLM测试接触电阻率、载流子迁徙率:DAQ 7510或者SMU

?  Hall Bar测试:6221/2182A

?  开关比、阈值电压、功耗等通用半导体参数测试:4200A

Hall测试是钻研二维资料电输运的沉要测试伎俩,通过将资料设计成Hall Bar的结构,在表加磁场下,在分歧温度下对Hall电阻进行高精度的丈量。由于二维资料有着十吩戽异的个性,诸如量子Hall效应、量子畸形Hall效应、自旋Hall效应、非线性Hall效应(NLHE)等测试,逐步揭示了功夫反演和对称性破缺下二维资料与三维体资料等巨大差距,为光电探测、量子丈量、新型推算等启发新的蹊径。

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上图【2】为典型的Hall Bar结构,用于丈量Hall电阻,并通过nH=-(1/e)(dRxy/dB)-1推推导载流子密度,该函数nH是底栅的函数,因而在测试中必要对底栅bg增长一个可控的Vbias。

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上如图为T=1.5K时,nH在Vbg=62V和18.5V时扭转符号,对应着f=0和f=-1价全满的状态【3】。


二维资猜中Hall测试的挑战

■ 1. 特殊的测试前提: 通常前提下,被测样品被搁置在低温(通常是超导)及磁场环境中,其低温低可达0.1mK,磁场可高达16T。在极端前提下,磁场可达几十特斯拉脉冲强磁场,压力可达数GPa。PPMS能够提供通常前提下的测试环境,在此环境下,测试电缆连线需思考热效应及对测试了局的误差成分。

■ 2. 必要极幼或极大电阻的测试: 在超导前提下,被测样品电阻可能低至nΩ级。而极端情况下,被测样品电阻可能高达GΩ级,通常的阻抗测试步骤远远达不到要求。

■ 3. 必要测试极幼电压、电流及微分电导: 此时信号往往覆没在噪声中,必要特殊的测试手法抑造噪声,提取有效信号分量。

为应对电输运测试面对的挑战,必须增长高精度适合极低电平测试的仪器体为必要的补充,该仪器必须具备去除噪声的自力。以锁相放大器为代表的的AC法和以Keithley 622x低电平电流源/2182A纳伏计组合为代表的Delta模式是两种重要的应对挑战的步骤,两种步骤的框图如下:

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图:AC法和Delta法测试道理

6221/2182A组合的Delta模式能够提供准直流电流反向技术的丈量和推算,以解除温差电动势的影响,每个Delta读数都是凭据一个通路的两个电压丈量了局推算而来 ;一个丈量电流源的正相,一个丈量负相,从而使噪声降低1000倍。

AC法和 Delta 模式法各有优势,相辅相成,通常在电输运测试时都配置。下图示意出两者利用领域:

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从上两图能够看出,锁放可在更高频率利用,好比脉冲测试,但锁放较适合 100mΩ~1MΩ领域的测试,而Delta 模式可测试更低电平的信号,也更适合低于100mΩ及大于1MΩ的电阻测试。

凭据Hall Bar的结构,测试组网必要一下信号的激励与采集:

■ SD方向的电流注入

■ Vxx方向的电压采集,用于测试资料本体的电导率σxx

■ Vxy方向电压采集,用于测试资料霍尔电阻σxy

通常情况下,Vxx和Vxy必要同时丈量,出格是在一些拓扑绝缘体和自旋资料的钻研中,必要观测到在磁场下或自身磁性影响下能带劈裂后出现量子化的霍尔电阻和相对应的体电阻的变动,用于判定资料是否满足拓扑绝缘体的性质【4】。

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一台2182A建设两个电压采集通路,能够同时采集Vxx和Vxy,共同6221产生的高精度电流,能够方便、正确的实现Hall测试。

除了低电平测试仪器,通常电输运测试还要配置SMU作为直流激励源。特殊情况下还必要AFG作为互换激励源,采集卡或示波器用于采集锁放输出信号。高频输运个性的钻研是电输运个性测试的发展方向,钻研高频输运个性时,需配置带宽达GHz的肆意波形产生器。

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规划优势

100fA~100mA电流输出,1nV电压测试活络度,高达10nΩ电阻丈量活络度

泰克独有的TSP LINK衔接6221/2182A,自动实现 Delta模式测试

Delta模式可降低噪声1000倍

多型号高精度SMU供激励源选择

当先的AWG为高频输运个性钻研提供强力支持

电输运测试领域普遍选取

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