主题：【第六届原创】材料综合物性综合测量系统（PPMS）原理及应用

材料综合物性综合测量系统（PPMS）原理及应用

　　美国Quantum Design 公司的产品PPMS( Physics Property Measurement System) 是在低温和强磁场的背景下测量材料的直流磁化强度和交流磁化率、直流电阻、交流输运性质、比热和热传导、扭矩磁化率等综合测量系统。北京科技大学材料学院与美国Quantum Design 公司在北京科技大学材料学院实验中心联合成立了PPMS材料综合物性测量研究实验室，安装了PPMS-9综合物性测量系统、HH-15振动样品磁强计、材料磁电阻效应、霍尔效应及磁致伸缩效应测量仪等仪器，现已全面对学生教学和科研测试开放。

　　一、实验目的

　　1、了解PPMS-9综合物性测量系统的结构、组成、测量原理及应用范围;

　　2、熟悉PPMS-9仪器开关机步骤及更换样品、测量附件的方法;

　　3、熟悉PPMS-9仪器软件控制程序及参数设置方法;

　　二、PPMS仪器测量原理和方法

　　PPMS是Quantum Design 公司在成功推出MPMS1之后，于20 世纪90 年代中期推出的又一款产品。一个完整的PPMS 系统也是由一个基系统和各种选件两个部分构成，根据内部集成的超导磁体的大小基系统分为7 特斯拉、9 特斯拉、14 特斯拉和16 特斯拉系统。但与MPMS 专注于磁测量不同，PPMS 在基系统搭建的温度和磁场平台上，利用各种选件进行磁测量、电输运测量、热学参数测量和热电输运测量。基系统主要包括软件操作系统，温控系统，磁场控制系统，样品操作系统和气体控制系统。下面结合各种选件对PPMS 的测量原理和方法加以说明。

　　1. 交直流磁化率选件

　　该选件是研究各种材料在低温下磁行为的主要设备之一，包括探杆、样品杆、伺服电机、电子控制部分、精密电源和软件部分(集成于系统软件) 。可以在同一程序中对一个样品先后进行交流磁化率和直流磁化强度的测量而不需要对样品进行任何调。样品杆处于探杆的中间，样品置于样品杆的一端，样品杆的另一端连接在伺服电机上。探杆之外由内到外依次由校正线圈组(用于消除仪器电子装置自身带来的信号增益和漂移) 、抗磁温度计、样品磁矩探测线圈、AC 驱动线圈(用于提供交流磁场) 以及AC 驱动补偿线圈(用于把交流磁场限制在线圈内部、防止它和外部的测量装置相互作用) 组成。

　　AC 磁化率测量原理　交流激发信号被输入到交流驱动线圈中，伺服电机驱动样品依次到两个绕向相反的探测线圈的中心，同时，与时间相关的样品信号被收集。把测得的样品在两个探测线圈中心的信号相减以消除驱动线圈和探测线圈间的随机相互作。通过对多次测量的采样和平均，可以减少测量过程中的信号噪音。与一般交流磁化率测量仪器相比，PPMS上AC磁化率测量装置有两个特点值得指明：首先它没有采用传统的单相锁相技术来处理信号，而是采用高速数字信号处理器(DSP)，这样它不仅提高信噪比、加快测量速度，而且还不再需要在实部信号和虚部信号之间进行转换。其次，对于如何消除仪器电子设备自身给测量数据带来的增益或漂移的技术问题，PPMS上AC 磁化率测量装置使用校正线圈。在每次测量之前把校正线圈接入到探测线圈线路中，进行正向和反向的测量，比较探测信号与初始激发信号的差别，进而修正仪器本身电子设备引起的相漂移。同样道理，校正线圈还可以精确的校正实际所加交流磁场强度的幅值，提高B - H 测量精度。正因为如此，PPMS上AC 磁化率测量装置在允许的工作频段内(10Hz～10kHz) 的测量精度可以达到与SQUID 相媲美的程度。DC磁矩测量：采用提拉法，样品速度可达1m/ s。

　　该选件的技术指标如下：

　　AC 磁化率灵敏度：2 x 10-8emu @10 kHz

　　DC 磁矩测量灵敏度：2.5 x 10-5emu

　　AC 驱动频率：10 Hz～10 kHz

　　AC 驱动磁场幅值：0.002～ 15 Oe

　　DC 提拉速度：100 cm/ s

　　样品尺寸： 直径7.5 mm

　　2. 比热测量选件

　　该选件是结合了绝热法和弛豫法，利用双τ模型精确的计算样品的比热。在测量过程中，系统处于高真空状态，样品的顶部有遮热屏。整个样品平台温度非常相近。这样，严格限制热量通过对流和辐射散失。与实时数据采集系统相结合，从而实现对热流密度和温度、时间的精确监控。该选件配有两个专用温度计和一个加热器件，实现精确控温。这样，通过实验曲线和数学模型相结合，就可以得到样品的比热。另外，软件会假设样品和样品托传热不理想，这样引进两者之间的导热系数，用另外一套模型进行拟合，最后，在二者中选择拟合结果更加合理的一个。

　　该选件有以下几个优点：方便的将样品安装到高真空系统中，不需要插入探测器; 特殊的仪器设计使得那些对于比热测量不熟悉的人也能很容易进行操作;完备的数据采集电子器件和分析软件;自动的微观量热学驰豫技术;自动校准程序和内置的背景比热消除功能;在每一个测量点对德拜温度的进行校正和记录。

　　该选件的技术指标如下：

　　温度范围：1.9～400 K (配相关选件将达< 0.4 K)

　　温度精确度：0.5 % @0 K

　　样品重量：5～500 mg ;20 mg

　　比热量程： 1 J / K～100 mJ / K

　　精度： 5 % @2～300 K;2 %

　　样品腔最佳真空度： 10 - 5 torr

　　3. AC 电输运性质测量系统选件

　　PPMS 的交流电测量系统在公共平台的基础上还包含有一个精确的电流源和伏特计。电流源的分辨率为0.02μA ，最大电流为2A。交流频率为1Hz～1kHz ，因而可以用数字滤波和锁相技术提高信号精度。AC 输运性质测量系统可以做直流电阻率、交流电阻率4 线测量、4 线和5 接线的Hall 效应测量、I -V 曲线和临界电流测量。样品安装连接方便，一次可以测量多个样品;金属屏蔽的低噪音前置放大器可以达到0.5 nV/ Hz 的噪音基和1 nV 的AC 输运测量系统灵敏度;计算机控制的样品水平旋转杆选件和垂直旋转杆选件可以使样品在360°幅度内旋转，进行角度相关的电输运性质的测量(旋转器内部有集成温度计能够精确的控制样品的温度) 。

　　该选件的技术指标如下：

　　Ø DC 电阻指标：

　　DC 通道3 个;

　　测量范围20 nV ～100 mV;

　　测量精度0.01 % ;

　　电流源量程5 nA ～5 mA

　　Ø AC 电阻指标：

　　AC 通道2 个;

　　电压噪音0.5 nV/ Hz @1 kHz;

　　电压灵敏度1 nV;

　　电流范围10μA ～2 A;

　　频率范围1 Hz～1kHz;

　　绝对精度0.2 % 1 Hz ～1 kHz

　　对于测量电流10μΑ～2 A 小于100Ω 电阻的典型精度0.03 %

　　相对灵敏度为±1 nΩ

　　4. 热输运性质测量系统选件

　　应该说，该热电测量选件是PPMS 意外而又自然的产物。因为PPMS 已经提供精确热电测量的各种条件，比如精确的热流控制，精确的控温(高真空恒温环境) 和测温以及高分辨率的电流源和伏特计。因此，该选件的推出只是巧妙的利用PPMS 已有的各种条件，并将它们和该选件的软件和样品托有机的结合。使用AC 输运性质测量选件的电子设备，该选件可以测量AC 电阻率;通过设计独特的样品托，可以监控给定热流下的温降和由此带来的压差，因而可以得到样品的热导和Seebeck 系数。由此便可以得到热电品质因数。以上这些参数可以同时或者分别得到。

　　该选件坚实易用，所有测量全自动，消除了温度漂移以及其他各种可能仪器误差;使用四引线法将接线端部的接触热阻和接触电阻效应降到最低; 和其他选件一样有特制的样品托，方便更换;在温度不断变化的情况下进行连续测量能够得到高密度的数据;使用新型的自适应测量方案可以加速对材料特性的了解，最重要的是能够在测量陌生材料时得到更好的测量数据。

　　该选件的技术指标如下：

　　热导(K) 测量误差：±5 %@T < 200 K、

　　±5 %或±0.5 mW/ K @200 < T < 300K、

　　±5 % 或±1 mW/ K @ T > 300 K

　　塞贝克系数： S = ΔV/ΔT

　　测量范围： μV/ K - V/ K

　　误差大小： ±5 % 或±0.5μV

　　热电品质因数： ZT = S2T/ (ρκ)

　　复合误差： ±15 % —基本上依赖于S

　　数据获取速度：(连续数据采集) 一般±0.5 K/ min，从390～119 K的测量需要

　　13 个小时

　　5. 扭矩磁强计选件

　　该选件是QD 公司与IBM公司共同开发，专为测量小尺寸的各向异性样品而设计，提供全自动测量与角度有关的磁矩的途径。该选件采用压电转换技术来测量扭矩，将惠斯通电桥集成在扭矩测量芯片中从而达到电路高度平衡和稳定性。芯片上集成了校准电流线圈从根本上消除了地球引力作用的影响。

　　该选件的技术指标如下：

　　均方根扭矩噪音： 1 ×10-9Nm for 40 s 采样

　　均方根磁矩灵敏度：1 ×10 - 7emu @9T for 40 s 采样

　　7 ×10 - 8emu @14T for 40 s 采样

　　扭矩测量范围：±10-5Nm

　　温度扫描时扭矩可重复性：1 ×10-8Nm

　　芯片尺寸：6 ×6 ×1 mm3

　　安装样品区域大小：2 ×2 mm2

　　最大样品尺寸：1.5 ×1.5 ×0.5 mm3

　　最大样品质量：10 mg

　　角转动范围　360°

　　角速率：0.05～ 10°/ s (标准模式)

　　0.005～1°/ s (高分辨)

　　角分辨率：0.05°(std) ;0.005°(高分辨模式)

　　6. 振动样品磁强计

　　振动样品磁强计(VSM)是QD 公司新推出来的最新选件。借助于PPMS 平台提供的温度和磁场平台， 它可以比利用PPMS 系统上其他方法(如：扭矩磁强计) 更快的获取高质量的磁测量数据。虽然该选件的测量精度还无法与SQUID 相比，但是它的测量速度是SQUID 的上百倍。VSM 不依赖于PPMS 上任何其他选件的辅助，是完全独立的选件， 可以十分方便的安装到PPMS 上，不用的时候可以迅速的卸下来。它由以下几部分组成： 用于驱动样品的新型长程线行马达，特制轻质量样品杆(样品固定装置) ，样品杆导向管，带有特制样品托的信号探测线圈，一个分离的电子拓展线路箱，包含新型的自动控制数据通信总线网络结构(CAN) ，集成到PPMS 软件包中的VSM 控制软件模块，可以使得用户进行全自动的VSM 测量。

　　该选件的技术指标如下：

　　磁场扫描速率： 10～200Oe/ s (9 特斯拉磁体)

　　灵敏度： 2 x 10 - 6 emu @1s(Averaging)

　　精确度： 0.5 %(使用2 mm 直径的圆形样品)

　　噪音： 4 x 10 - 7emu rms

　　背景信号： < 2 x 10 - 6emu (typical)

　　最大可测量磁矩： ～150 emu

　　VSM振动频率： 40 Hz

　　VSM振动幅值：4 mm峰峰值(一般0.5～10mm)

　　数据平均速率： 1 Hz (一般0.1 ～10 Hz)

　　以上主要介绍PPMS 的测量选件。此外还有很多其他的选件，用以拓展和用户化该系统的使用。如：He3 制冷机选件可以把系统的最低测量温度拓展到0.4K，进而进行比热和电输运测量;水平和竖直样品旋转杆可以进行各向异性的测量;超低场选件可以消除仪器的剩场进行低至0.05Gauss 的低场工作测量; 多功能样品杆可以引进光纤、光波导管等进行光谱吸收分析等。

　　三、PPMS 的主要应用

　　1、用PPMS 可以测量样品的直流磁化强度和交流磁化率，直流磁化强度的灵敏度只有10 - 5emu;要求样品的磁信号比较强。交流磁化率的交流信号频率最低为10 Hz。

　　2、用PPMS 可以测量样品在确定磁场下交直流电阻随温度的变化，确定样品的电导率;确定超导材料的超导临界温度; 确定巨磁阻测量的相变温度和磁阻变化率;确定半导体材料的载流子浓度。一个样品座上可以安装3 个样品同时测量，便于在相同的测量条件下比较。同时节省测量时间。

　　3、 用PPMS 可以方便地测量在确定温度(1.9～400 K) 和确定磁场(0～9 T) 下样品的I - V 曲线和临界电流，最大电流达到2 A。

　　4、用PPMS 可以方便地测量在确定磁场下(0～9 T) 样品比热随温度的变化，确定样品的相变温度。

　　5、用PPMS 可以方便地测量在确定磁场下(0～9 T) 样品热导率和Seebeck 系数随温度的变化，研究非平衡态性质。

　　6、 用PPMS 可以方便地测量在确定温度下材料的磁各向异性作为旋转角度和磁场的函数。

　　四、实验内容

　　1、仔细阅读讲义了解PPMS-9综合物性测量系统的结构、组成、测量原理及应用范围;

　　2、选择一种样品在教师指导下熟悉PPMS-9仪器开关机步骤及更换样品、测量附件的方法，以及软件控制程序及参数设置方法;

　　4、测量样品并对数据进行处理。

　　五、实验报告要求

　　1. 实验目的

　　2. 简述所选样品的测量原理和主要实验步骤

　　3. 测试结果曲线及分析结果

　　4. 回答思考题

　　六、思考题

　　1. 简述PPMS仪器结构和可测量那些物理量。

　　2. 简述振动样品磁强计(VSM)的特点和指标。

　　七、PPMS 需要注意的问题

　　1、 由于在PPMS 系统中磁场值不是由霍尔片等磁场传感器测量的，而是由超导磁体的电流乘以磁体常数计算得到的，在超导磁体电流为零时，由于冻结磁通，剩余磁场可达几十高斯，这可能造成很多测量错误。因此每次测量必须注意保持剩余磁场在2Gauss 以下，特殊情况必须使用超低场装置，使剩余磁场达到0.05Gauss。

　　2、 温度控制的关键是必须保持流阻的畅通，一旦流阻被堵塞，温度就很难降低和控制，必须使整个系统自然升温到室温。使流阻畅通后重新加入液氦，运行系统。氧分子团和氮分子团是造成流阻堵塞的主要原因，尺度较大的灰尘、油污微粒和小冰晶一般不会堵塞流阻。因此要特别小心不要让大量空气、灰尘、油污和水进入液氦杜瓦之中。

　　3、 带循环制冷机的系统可以解决无液氦来源单位使用PPMS 系统的困难。但是必须注意样品室降温速率不可太快，最好不超过1.5 K/ min。否则由于抽出的大量冷氦气经过循环升温到室温后体积增加很多倍，回到液氦杜瓦后使液氦杜瓦内的压强升高，压强保险阀会自动打开而使氦气放到大气中，这样可能消耗较多的高纯氦气，这就是有些使用单位一个月需要补充5 瓶高纯氦气的原因。

　　4、由于带循环制冷机的PPMS 系统都没有液氮保护，依靠制冷机冷屏起到液氮保护作用。在临时停电后要尽快恢复工作，否则在24h 左右，由于没有冷屏的保护作用，杜瓦中的液氦将消耗殆尽。每次停止运行循环制冷机进行测量时间不宜过长，否则将损耗大量的液氦。