Đo lường w88 ai ứng Hall: Hướng tới cảm biến và đặc tính vật chất
Giới thiệu
Kể từ khi phát hiện ra w88 ai ứng hội trường của Edwin Hall vào năm 1879, w88 ai ứng hội trường đã được áp dụng rộng rãi để đo lường, đặc biệt là đặc tính vật chất và cảm biến Nó hiện được sử dụng để mô tả các vật liệu mới, cho phép phát hiện ra các hiện tượng mới như w88 ai ứng hội trường lượng tử, w88 ai ứng hội trường spin và các chất cách điện tôpô gần đây [1] Hall Effect cũng phục vụ như một nền tảng cho nhiều ứng dụng thiết bị, bao gồm phát hiện hiện tại, đo lường, thử nghiệm và thử nghiệm không phá hủy và các ứng dụng sàng lọc bảo mật trong ngành công nghiệp ô tô Như được hiển thị trong Hình 1, khi dây dẫn được đặt trong từ trường B, w88 ai ứng Hall xuất hiện Các chất mang điện tích chảy qua dây dẫn bị lệch bởi lực Lorentz FL, tạo ra một Vxy điện áp Hall theo hướng ngang vuông góc với cả từ trường và IR hiện tại
Hình 1 Sơ đồ cho thấy thiết lập các phép đo w88 ai ứng Hall với phép đo virgeom hóa hội trường tiêu chuẩn Sử dụng hai bộ khuếch đại khóa, đo điện áp VXX và Vxy theo chiều dọc dọc theo dòng điện Các electron di chuyển theo hướng ngược lại Lực Lorentz FL vuông góc với chuyển động của từ trường B và chất mang điện tích Điện áp hội trường tỷ lệ tuyến tính với từ trường, nhưng VXX điện áp dọc không phụ thuộc vào từ trường Đây là những w88 ai ứng hội trường cổ điển của các dây dẫn kim loại và chất bán dẫn, như trong Hình 2 (a) Điện trở suất của một dây dẫn số lượng lớn được định nghĩa là ρ = r w t / l R = v/i là điện trở, w là chiều rộng, t là độ dày và l là chiều dài dây dẫn Các điện trở ρxx và ρXy có nguồn gốc từ mô hình Drude cổ điển ở dạng sau:
Trong đó n là mật độ của chất mang điện tích, M là khối lượng w88 ai quả của chất mang, E là điện tích điện tử và là thời gian tán xạ tự do trung bình [2] Phương trình 1A biểu thị điện trở sảnh bên ở trường từ tính tuyến tính và mật độ sóng mang nghịch đảo Mặt khác, phương trình 1B đại diện cho điện trở suất dọc không phụ thuộc vào điện trường và phản ánh các tính chất vận chuyển của vật liệu theo hướng của dòng điện w88 ai ứng Hall cổ điển có hai cách sử dụng chính:
1 Đặc tính vật chất
Tính chất dẫn của vật liệu được xác định bằng cách sử dụng các phép đo w88 ai ứng Hall Từ điện trở suất Hall, nồng độ chất mang N và loại sóng mang được xác định bằng phương trình 1a vì sự phụ thuộc từ trường là tuyến tính Các phép đo điện trở dọc được sử dụng bằng phương trình 1b để xác định độ dẫn σxx = 1/xxx và tính di động của sóng mang μ = σxx/n e Hình dạng lỗ (được hiển thị trong Hình 1) được thiết kế để trích xuất trực tiếp điện áp VXX và VXY và IR hiện tại
2 Cảm biến
Nếu các tính chất dẫn điện của vật liệu được biết đến, một cảm biến từ trường nhạy cảm và chính xác có thể được xây dựng bằng tỷ lệ tuyến tính với điện áp Hall và các thành phần từ trường vuông góc Trong trường hợp này, điện áp đo tỷ lệ thuận với từ trường và độ tuyến tính nằm trong khoảng từ 0 đến một số Teslas (T), do đó các cảm biến Hall được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như đầu dò Hall, tốc độ kế, công tắc Hall, cảm biến gần và cảm biến hiện tại Tốc độ đo rất quan trọng trong nhiều ứng dụng này, trong khi các tín w88 ai nằm trên nhiễu nền từ một tín w88 ai lớn khác hoặc các nguồn nhiễu trường tĩnh và thời gian khác nhauCông nghệ đo lường AC đặc biệt phù hợp với các yêu cầu như vậy vì nó giúp tránh các lỗi đo hệ thống nhất định như bù nhiệt, trôi nhiệt và các thành phần không cần thiết trong phổ nhiễu nền Tỷ lệ SN cao đạt được so với các phương pháp DC, chủ yếu là do nhiễu nền giảm xuống 1/f với tần số tăng f Thông thường, SNR cao sẽ dẫn đến các phép đo nhanh hơn Ngoài ra, các phương pháp AC thường có độ phân giải đo cao hơn và cho phép phạm vi động rộng hơn
Bộ khuếch đại khóa để đo chính xác và nhanh
Các phép đo AC được sử dụng tốt nhất với bộ khuếch đại khóa, vì chúng đảm bảo rằng chúng đo tối đa NV ở băng thông được cấu hình, ngay cả khi nhiễu nền cao Các thiết bị này sử dụng phát hiện nhạy cảm pha để đo biên độ của tín w88 ai và pha so với tín w88 ai tham chiếu Tiếng ồn nền bên ngoài tần số tham chiếu và bên ngoài băng thông đo được loại bỏ rất nhiều và không ảnh hưởng đến phép đo Một thiết lập điển hình sử dụng hình dạng thanh lỗ và hai dụng cụ Zurich MFLI, bộ khuếch đại khóa 500 kHz được hiển thị trong Hình 1 Sử dụng hai bộ khuếch đại khóa để đo điện áp lỗ ngang VxY và điện áp thẳng đứng VXX Nó cũng cung cấp dòng điện cho mẫu thông qua cái gọi là RL điện trở giới hạn hiện tại Điện trở này thường được chọn để lớn hơn các điện trở kết hợp trong mạch, do đó dòng điện có thể được coi là không đổi Giả định hiện tại không đổi thường là đúng, nhưng các nghiên cứu trong đó trở kháng của một mẫu thay đổi đáng kể trong quá trình đo lường đòi hỏi phải theo dõi cẩn thận dòng điện Đầu vào đo lường hiện tại cung cấp tính năng này Xem [3] để xử lý và hoạt động chi tiết hơn của cùng một bộ khuếch đại khóa tần số như đầu vào điện áp
w88 ai ứng hội trường lượng tử của 2DEG
Khi các electron trong khí electron hai chiều (2DEG) được đặt trong từ trường, w88 ai ứng Hall thể hiện một tính năng mới định tính, với điện trở hội trường thay đổi dần dần khi tăng từ trường, dẫn đến cấu trúc cao nguyên Điều này được gọi là hiện tượng cơ học lượng tử, w88 ai ứng hội trường lượng tử (QHE) và hình thành mức năng lượng riêng biệt được gọi là mức Landau ở mật độ 2DEG của các trạng thái Hình 2 (B) cho thấy nó Trong khi ở cao nguyên, electron theo các quỹ đạo tròn riêng biệt ở mức năng lượng được định lượng, di chuyển khoảng cách vĩ mô dọc theo các cạnh của mẫu mà không có điện trở Trạng thái cạnh Hơn nữa, các electron di chuyển giữa các mức Landau có thể gây ra "dao động lượng tử" có thể quan sát được, được gọi là dao động Schubnikov de Haas (SDH) (xem Hình 3) Số nguyên qhe được phát hiện bởi Klaus von Kritzing vào năm 1980 [4] và giành giải thưởng Nobel năm 1985
Hình 2 Các sơ đồ của điện trở dọc và bên ρxx và ρy được vẽ như là một hàm của từ trường(a) Hành vi w88 ai ứng Hall cổ điển trong đó ρy là cộng đồng với B và ρxx độc lập với B(b) Các tính năng điển hình của w88 ai ứng hội trường lượng tử nguyên Điện trở suất hội trường ρy cho thấy một cao nguyên của một loạt các giá trị từ trường;ρxx trở thành 0 cùng một lúc Điện trở suất của một cao nguyên cụ thể được đưa ra bởi phương trình sau:
trong đó ν là một số nguyên gọi là hệ số điền và H/E2 là một hằng số cơ bản được gọi là hằng số von klitzing bằng RK = 25812807557 (18) hoặc lượng tử của điện trở Vì = RW / L, điện trở suất và điện trở của 2DEG có cùng đơn vị RK chỉ phụ thuộc vào hằng số planck h và điện tích điện tử e chứ không phải vào tính chất vật liệu, dao động nhiệt độ hoặc tạp chất tinh thể Ngoài QHE trong 2DEG, các loại hiện tượng w88 ai ứng hội trường khác cũng đã được phát hiện Chúng bao gồm các w88 ai ứng phân đoạn và spin-hall, và các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra "các w88 ai ứng hội trường dị thường lượng tử" trong đó màng mỏng của các chất cách điện tôpô thể hiện QHE ở các từ trường bên ngoài bằng không [5]
Nghiên cứu trường hợp w88 ai ứng Hall
ETH QHE được đo bằng hai Mflis trong Zurich, trong đó hai mẫu DEGS, GAAS/AL03GA07AS, được đặc trưng cho mục đích nghiên cứu liên kết photomatter [6] Tính di động của electron là 3 × 106 cm2 / Vs, mật độ electron N là 3 × 1011 cm-2 và kích thước thanh lỗ dài 166,5 μm và rộng 39 μm Ví dụ đo lường trong Hình 3 được thực hiện ở mức 100 mk và tần số 14 Hz Một điện áp RMS 200 mV đã được áp dụng cho điện trở giới hạn dòng điện 10mΩ nối tiếp với thanh lỗ để thu được dòng điện 20 NA Tín w88 ai được khuếch đại bằng preamp tự chế với mức tăng 1000x trước đầu vào khóa và các phép đo khóa được thực hiện bằng hằng số thời gian là 100 ms
Hình 3 (A) Các ô của điện trở dọc và bên PXX và PXY là một hàm của từ trường B sử dụng hai bộ khuếch đại khóa Lưu ý rằng XY thay đổi dấu w88 ai khi hướng từ trường bị đảo ngược(b) mở rộng dữ liệu đo lường từ (a) Một số cao nguyên lỗ bậc cao trong từ trường âm và các tính năng nổi bật của phân chia spin giữa chúng được hiển thị Hình 3 (A) cho thấy các ô của điện trở dọc và bên ρxx và ρy là một hàm của từ trường B thu được bằng hai bộ khuếch đại khóa Dấu vết đen cho thấy sự dao động SDH của ρxx, và cao nguyên w88 ai ứng số nguyên lượng tử của ρy được thể hiện bằng màu đỏ Các cao nguyên ban đầu hình thành ở khoảng 13 T (không hiển thị) một hệ số làm đầy lên tới 300 đã được quan sát thấy trong phép đo này Sự xuất hiện sớm của các rung động SDH là kết quả của nhiệt độ thấp và khả năng vận động cao của các mẫu phản ánh chất lượng cao của nó Hơn nữa, cấu trúc của ρxx hình thành ở mức 0,4 t trở lên là do sự phân tách spin ở cấp độ Landau (xem Hình 3 (b))
Thực hiện thực tế của Qhe và các hiện tượng liên quan
Vì điện trở trong trạng thái lỗ lượng tử không phụ thuộc vào loại vật liệu, tán xạ hoặc nhiệt độ, vật liệu 2DEG được sử dụng làm tiêu chuẩn kháng Cho đến gần đây, QHE chỉ được quan sát ở nhiệt độ thấp Năm 2007, các phép đo graphene ở trường từ 20 T cho thấy QHE [7] ở nhiệt độ phòng và cơ sở tiềm năng để phát triển các tiêu chuẩn kháng thuốc mới Việc phát hiện ra QHE trong các chất cách điện tôpô không có từ trường mở ra một bộ khả năng mới khácTiến hành ở trạng thái được bảo vệ, những vật liệu mới này có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử tốc độ cao và máy tính lượng tử [1]
Ưu điểm của việc sử dụng MFLI cho các phép đo w88 ai ứng Hall
1 Độ nhạy cao: trích xuất tín w88 ai tối thiểu
Các phép đo w88 ai ứng Hall thường liên quan đến việc phát hiện các tín w88 ai nhỏ bị chôn vùi trong tiếng ồn Điện trở điển hình cho các phép đo w88 ai ứng Hall là khoảng 100 hoặc ít hơn Khi kết hợp với dòng điện khoảng 20 NA, nó chuyển đổi điện áp thành một vài μV cho VXX và hàng trăm μV cho Vxy Việc sử dụng các phần trước chắc chắn có lợi để cải thiện SNR thông qua khuếch đại và lọc nhiễu băng rộng Cả hai phép đo điện áp đều yêu cầu phạm vi động cao của đầu vào MFLI để phù hợp với quét từ trường hoàn chỉnh
2 Loại bỏ tiếng ồn w88 ai quả: Tối đa hóa SNR
Loại bỏ tiếng ồn w88 ai quả là rất quan trọng để đạt được SNR cao MFLI được trang bị bộ lọc thứ tự thứ 8 có thể giảm tới 1 triệu lần nhiễu của tín w88 ai đo được, tối ưu hóa cả tốc độ đo và độ chính xác Hơn nữa, khi thực hiện các phép đo ở nhiệt độ thấp, nhiễu được tạo ra từ đầu vào khóa ảnh hưởng đến nhiệt độ điện tử của mẫu và thêm nó vào nhiễu tổng thể Về mặt này, MFLI cung cấp giải pháp thương mại tốt nhất trên thị trường vì nó tiêu thụ công suất thấp nhất của đầu vào [8] Việc loại bỏ nhiễu khóa w88 ai quả làm giảm hằng số thời gian lọc và trong một số trường hợp, thời gian đo toàn bộ các phép đo đặc trưng mỗi ngày hoặc tuần có thể giảm xuống còn một phần mười, tăng tốc w88 ai quả các phép đo
3 Độ chính xác cao: Phát hiện hiện tại chuyên dụng
Nếu giả định IR dòng không đổi không giữ được, điều quan trọng là phải đo IR hiện tại để đạt được các phép đo điện trở chính xác cao và tránh các lỗi có hệ thống lên tới 10% Tùy chọn MFMD cho phép bạn đo điện áp Hall và dòng điện đồng thời bằng cách sử dụng một bộ khuếch đại khóa duy nhất Người dùng có thể giảm độ phức tạp thiết lập và cải thiện độ trung thực đo lường
4 Quy trình làm việc w88 ai quả: Bao gồm phần mềm Labone
Labone phần mềm điều khiển của Zurich Cụ, đi kèm với MFLI, được thiết kế cho các quy trình công việc w88 ai quả Giao diện người dùng trực quan cho phép người dùng có được kết quả đầu tiên ngay lập tức Ngoài ra, các tính năng và công cụ phong phú cung cấp độ tin cậy cao cho dữ liệu bạn truy xuất Ví dụ: bạn có thể sử dụng phạm vi để ghi dữ liệu trực tiếp vào đầu vào tín w88 ai và máy vẽ (phân tích phổ) để trực quan hóa đầu ra bộ giải mã trong miền thời gian (tần số) Tính năng đồng bộ hóa đa thiết bị (MDS) rất hữu ích khi cần có nhiều dụng cụ cho các phép đo MDS đồng bộ hóa đồng hồ tham chiếu của tất cả các thiết bị và sắp xếp các dấu thời gian của dữ liệu được ghi lại Các phép đo có thể được thực hiện trong một phiên duy nhất trong giao diện người dùng Labone Nếu bạn cần tự động hóa các phép đo của mình hoặc tích hợp MFLI vào môi trường đo lường hiện tại của mình, Labone sẽ cung cấp API cho LabView®, Matlab®, Python, NET và C
Kết luận
Ngày nay, các phép đo w88 ai ứng Hall được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu cơ bản, đơn vị SI xác định lại và các ứng dụng công nghiệp Đối với hầu hết các phép đo, bộ khuếch đại khóa được hưởng lợi từ việc sử dụng các kỹ thuật AC, công cụ chính để đảm bảo độ chính xác cao và SNR với việc loại bỏ nhiễu tối ưuBộ khuếch đại khóa MFLI của Zurich được xây dựng trên các công nghệ phần cứng và phần mềm mới nhất kết hợp các lợi ích và dễ sử dụng xử lý tín w88 ai số w88 ai suất cao Từ các phép đo đơn giản đến phát hiện điện áp hội trường ở tần số xác định đến các thiết lập phức tạp hơn yêu cầu nhiều dụng cụ, MFLI là một công cụ phù hợp để sử dụng Ví dụ: bạn có thể nâng cấp dải tần từ DC lên 500 kHz và DC lên 5 MHz hoặc thêm ba bộ giải điều chế khác để phân tích đồng thời các đầu vào điện áp và dòng điện để đáp ứng các yêu cầu thay đổi Xin vui lòng liên hệ với chúng tôi với bất kỳ yêu cầu nào cho các phép đo Hall (Điện thoại: 03-3356-1064)
Để biết thêm thông tin về bộ khuếch đại khóa MFLI, vui lòng bấm vào đây
LỜI CẢM ƠN
ETH Chúng tôi xin cảm ơn sâu Gian L Paravicini-Bagliani của Nhóm quang điện tử lượng tử ở Zurich vì đã chia sẻ và thảo luận về dữ liệu w88 ai ứng hội trường lượng tử
Tài liệu tham khảo
[1] Davide Castelvecchi Cấu trúc liên kết kỳ lạ là định hình lại vật lý Thiên nhiên, 547: 272 Từ274, 2017[2] N W Ashcroft và ND Mermin Vật lý trạng thái rắn 1976[3] Công cụ Zurich Ag Nguyên tắc phát hiện khóa, 2017 Giấy trắng[4] K v Klitzing, G Dorda và M Pepper Phương pháp mới để xác định độ chính xác cao của hằng số cấu trúc mịn dựa trên điện trở hội trường được định lượng Vật lý Rev Lett, 45: 494 Từ497, tháng 8 năm 1980[5] A J Bestwick, E J Fox, X Kou, L Pan, K L Wang và D Goldhaber-Gordon Định lượng chính xác của w88 ai ứng hội trường dị thường gần từ trường bằng không Vật lý Rev Lett, 114: 187201, tháng 5 năm 2015[6] G L Paravicini-Bagliani, F Appugliese, E Richter, F Valmorra, J Keller, M Beck, N Bartolo, C Rössler adn T Ihn, K Magneto-Transport được kiểm soát bởi các quốc gia Landau Polariton Arxiv: 180500846, 2018[7] K S Novoselov, Z Jiang, Y Zhang, S V Morozov, H L Stormer, U Zeitler, J C Maan, G S Boebinger, P Kim và A K Geim w88 ai ứng hội trường lượng tử nhiệt độ trong graphene Khoa học, 315 (5817): 1379 Từ1379, 2007[8] Công cụ Zurich Ag Phản biến nguồn tại các đầu nối đầu vào của bộ khuếch đại khóa, 2017 Lưu ý kỹ thuật