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霍爾效應

簡介：

霍爾效應自被發現以來，歷經幾十年的發展，已經作為前沿物理研究的重要參考實驗。傳統的直流測試方法，由于需要經歷多次樣品，勵磁電流換向，造成采樣延時，對于變溫霍爾效應來說，保持電磁鐵和樣品溫度恒定就成為難題。并且還有測試結果信噪比差，實驗時間長等缺點。結合鎖相放大器相敏探測技術的調制磁場交流測試方法，可以有效避免直流測試方法的缺點，將低頻測試搬到中頻或者高頻上，提高信噪比，并且減少實驗時間。是一種可靠的霍爾效應測試方法，并且由于優秀的高達120dB動態儲備，可以用于量子霍爾效應等微弱信號的測試。

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應用說明鎖相測量策略相關產品優勢相關推薦產品

應用說明

相關產品：HF2LI，MFLI

背景介紹

霍爾效應作為進行半導體材料研究中經常用到的物理現象，它已被廣泛應用到材料表征和傳感器方面。我們可以通過霍爾效應來測試材料的導電性能。在材料的導電性能已知情況下，可以利用霍爾電壓與磁場強度的線性關系，制作探測磁場強度的傳感器。除了常規的霍爾效應，目前發展起來的量子霍爾效應開創了凝聚態物理研究的新領域，量子輸運。隨著科學的不斷發展，從宏觀的霍爾效應到量子霍爾效應，反映著人類認識自然世界的不斷深入?；诨魻栃l展起來的量子輸運，絕緣拓撲材料研究也是目前物理學的前沿領域。那么如何高效，準確的測試霍爾效應就顯得尤為重要。傳統的范德堡法，利用直流換向抵消其他物理效應帶來的誤差，但是由于需要一個溫度下多次測量造成采樣延遲，而樣品的溫度會隨時間發生變化，所以需要保證樣品的溫度不變。復雜的操作也帶來實驗時間很長的缺點。新的測量方法在原有的直流換向法基礎上，利用調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，獲得實驗結果。實驗時間縮短為傳統方法的1/10，并且提高信號的信噪比。

鎖相測量策略

實驗裝置

圖1.實驗裝置

霍爾效應實驗裝置由溫控模塊，勵磁模塊，控制模塊，測試模塊組成。上圖為調制磁場交流霍爾效應測試裝置。黃色的線圈代表勵磁線圈，通過勵磁電流產生和樣品夾角成90度的均勻磁場。控制模塊一般為PC，在傳統的直流方法中結合已經成熟的范德堡法，通過上位機軟件改變激勵，測試電流的方向并將電壓測試結果取平均來抵消測試過程中伴隨的其他物理效應帶來的誤差，獲得較為準確的測試結果。但是這種直流方法由于存在不可克服的缺點，例如低頻段的1/F噪聲，長時間測量帶來的漂移現象等，不僅實驗時間長，而且實驗的信噪比差。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驗的低頻段背景噪聲的影響，同時讓一天甚至一周的實驗時間縮減到1/10，可以大大提高實驗效率。另外在變溫霍爾效應實驗中，已有研究證實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.變溫霍爾效應實驗結果（交流測試方法）

在量子霍爾效應中由Vxx導出的ρxx（xx方向的電導率）會出現SDH震蕩，原因在于朗道能級穿過費米面，導致費米面上的載流子態密度呈現周期性變化。Vxy導出的ρxy會出現平臺現象，原因在于只有磁場強度達到下一個朗道能級強度時，導帶的電子才會增加，跳躍突變到下一個平臺。這些實驗現象有力的證明了量子力學的成功性，是研究量子輸運和絕緣拓撲材料的橋梁。

圖3.量子霍爾效應現象

鎖相測量策略

圖4.MFLI測試霍爾效應方法

利用數字鎖相進行霍爾效應的實驗如圖所示。這里我們分別測量兩個方向的電壓，一個是縱向的Vxx，另一個是橫向的霍爾電壓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，可以認為電流是恒定的。交流測試信號通過MFLI的輸出產生，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，使時鐘同步，其結果相當于用一臺機器同時測試Vxx和Vxy。另外測量霍爾效應時，默認電流是常數，然而實際實驗中，電流總是會因為各種因素發生變化，例如電阻隨溫度導致阻值變化。MFLI有電流輸入端口，如果安裝了MF-MD選件可以在一臺MFLI上同時測試霍爾電壓和電流，減小實驗誤差。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品HF2進行霍爾效應測量，對比MFLI由于具有雙通道輸入，可以在一臺儀器上實現Vxx和Vxy電壓測量。

相關產品優勢

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圖6.HF2LI設備

2路DC - 50 MHz 14-bit 電壓輸入
自帶的優秀Labone控制軟件，可以實現PID，PLL控制和掃描設置。(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設備

DC - 500KHz/5Mhz 16-bit 電流電壓輸入
高達4路PID和PLL鎖相環 (需要MF-PID選件)
短時間常數：337ns到83s
支持 Python, MATLAB, LabVIEW, C, .NET，API 程序

選擇蘇黎世儀器的優勢

您可以執行快速、靈敏的交流測量以達到高信噪比 (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據對齊（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據分析。
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上同時檢測霍爾電壓和電流。

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