在現(xiàn)代凝聚態(tài)物質研究的前沿領域中，低溫電學輸運測量作為一項關鍵技術手段，在拓撲材料、量子材料、新型超導材料以及二維材料和器件等多個重要研究方向上發(fā)揮著至關重要的作用。然而，實際測量環(huán)境較為復雜且充滿挑戰(zhàn)。極低溫、強磁場、真空等環(huán)境相互疊加，同時伴隨著制冷機、壓縮機、磁體電源、真空泵組等一系列復雜設備的運行，使得測量環(huán)境中的電磁信號較為復雜。而被測信號例如超導材料、量子輸運材料等往往有著較為微弱的信號幅值。因此，在如此復雜的環(huán)境中如何準確檢測到待測樣品的信號往往是很多科研工作者面臨的棘手問題。

近日，Quantum Design中國科學實驗中心憑借前沿的技術產品和扎實的專業(yè)能力，在超導材料探索的相關測量手段上取得了階段性的成果。通過創(chuàng)新性地將Lake Shore 新一代多通道高精度低噪聲綜合電學測量儀-M81與QuantumDesign無液氦綜合物性測量系統(tǒng)-PPMS DynaCool聯(lián)用，構建了一套高精度穩(wěn)定的測量平臺。在具體的實驗操作中，我們利用樣品托四引線法，通過使用不同激勵電流（交流鎖相）對某超導樣品進行了測量。為了盡可能降低樣品熱負載，我們將電流壓縮至μ級別，整體測量電壓控制在nV量級，即使面臨如此嚴苛的測量條件，我們仍然取得了很好的結果。

超導材料在不同激勵電流下的零場超導轉變

隨后我們選取了100μA激勵電流（交流鎖相）對該樣品不同磁場下的輸運特性進行了進一步測量，獲得了樣品在不同磁場下對超導的抑制數(shù)據(jù)。可以看到縱軸整體電壓仍然在nV量級，并且在超導態(tài)電壓能夠到0。

超導材料在不同外加背景場下的超導轉變

實驗采用PPMS DynaCool樣品托以及杜瓦側面的原生Lemo接頭轉外接接線盒，通過BNC線纜與新一代多通道高精度低噪聲綜合電學測量儀-M81相連接。該方案提供了電流源、電壓表以及電壓源、電流表的配置，能夠實現(xiàn)直流、交流鎖相、偏置以及交直流混合的測量手段。

得益于Lake Shore M81優(yōu)質的低噪聲電流源以及強大的鎖相功能，基于系統(tǒng)原生配置，我們在未使用額外樣品桿的前提下依然獲得了非常好的測量數(shù)據(jù)。

MeasureReady™ M81-SSM系統(tǒng)采用模塊化設計，并利用MeasureSync™自主研發(fā)信號同步技術實現(xiàn)信號源模塊和測量模塊的所有通道最高100kHz的信號實時同步。利用MeasureSync™技術，M81系統(tǒng)可以在同一時間對所有通道進行采樣，確保在相同條件下對被測器件或樣本進行測試，獲得一致性的數(shù)據(jù)。

M81采用主機與模塊的搭配方案

M81主機是M81 SSM系統(tǒng)的核心。根據(jù)訂購的型號，儀器支持 2、4 或 6 個通道，分別包括 1、2 或 3 個信號源和 1、2 或 3 個測量單元。每臺 M81 儀器可管理 1 至 3 個信號源通道和 1 至 3 個測量通道，以便在單個測試序列中測試多個被測器件或樣品，而不會因線路復雜化和信號切換造成信號劣化。此外還可以將多臺儀器組合起來，進一步提高信號源和測量通道的能力，而不會降低模擬性能，同時利用 MeasureSync™ 對系統(tǒng)內所有信號通道進行定時同步。

M81主機

該主機以 MeasureReady™ 儀器平臺為基礎，采用圖形化觸摸屏界面進行編程控制和監(jiān)測。其符合人體工程學設計的前面板具有 TiltView™ 顯示屏，無論是在工作臺上還是安裝在機架上，都能獲得超佳的可視性。它還支持標準 LAN、USB 和 GPIB 通信。

M81-SSM采用主機和模塊搭配使用的方案，一個主機可以同時擴展至多3個源表模塊以及至多3個測量模塊，每個模塊均可以適配直流以及最高100kHz的測量范圍。具體有以下模塊可供選擇：

1.  VM-10 電壓測量模塊

該模塊提供分辨率從低納伏到 10 V 的直流至 100 kHz 電壓測量，包括振幅、相位和諧波檢測功能。專有的無縫量程技術允許在增減量程時進行連續(xù)測量。

VM-10 電壓測量模塊

2.  CM-10電流測量模塊

該模塊可在直流至 100 kHz 范圍內，以接近零的輸入偏移電壓測量 fA 至 100 mA 的電流，包括幅值、相位和諧波檢測功能。該模塊還具有可配置的硬件和軟件濾波功能。

CM-10電流測量模塊

3. BCS-10電流源模塊

該模塊提供 1 pA 至 100 mA 的可編程電流，最大符合 ±10 V 的直流輸出至 100 kHz 正弦輸出。BCS-10 源自 Lake Shore 前沿的 372 型交流電阻電橋，采用差分或平衡設計，有助于減少或消除低溫恒溫器和其他研究設備中經常遇到的接地回路。它擴展了 372 型平衡源的功能，增加了可變頻率和振幅編程能力，在保持出色噪聲性能的同時，提高了靈活性。

BCS-10電流源模塊

4. VS-10電壓源模塊

該模塊可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可編程電壓，最大符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦輸出。VS-10 適用于柵極偏置、電壓掃描 I-V 曲線剖析，以及需要高穩(wěn)定電壓并結合電流、電阻/電感和其他材料或電子器件測量的應用。

VS-10電壓源模塊

不同的模塊搭配也為不同應用場景提供了不同的解決方案，常見的測量搭配有：

二維材料，納米線，有機半導體 VS module + CM module, primarily I-V特性曲線，4引線法 M81優(yōu)勢：低電壓源噪聲，低電流測量噪聲
金屬-絕緣體相變，二維材料，超導材料 BCS module + VM module 交流電阻，表面電阻，交流霍爾 M81優(yōu)勢：交流電流霍爾：電阻和霍爾電壓的同步測量； 在不同頻率的超低溫恒溫器中同時測量多達三個器件
光電二極管和光電晶體管 CM module + occasionally VS module M81優(yōu)勢：可編程偏置電壓源
自旋輸運 DC/AC: BCS module + VM module M81優(yōu)勢：同步測量電阻、霍爾電壓和諧波霍爾電壓
MIS結、約瑟夫森結、晶體管中的缺陷表征 VS module + CM module M81優(yōu)勢：雙 DAC 交流和直流電源
熱電材料、一維材料 AC, BCS module + VM module M81優(yōu)勢：相位相關電流源，同步諧波檢測

綜合以上這些測量方案， M81-SSM 的強大功能不言而喻，能夠為廣大科研工作者提供表征多種測試結構（包括納米結構、單層和多層原子結構、MEM、量子結構、有機半導體和超導材料）的超卓解決方案。

此方案由Quantum Design和Lake Shore聯(lián)合推出，整套儀表與PPMS無縫結合，軟件易用無需額外編程，且支持對PPMS的控制，真正實現(xiàn)了外接源表的一站式測量方案。如您對此感興趣，歡迎隨時與我們聯(lián)系，目前我們QD中國樣機實驗室也提供了免費樣品Demo測試的服務，歡迎前來體驗。

掃碼即刻預約體驗吧！

相關產品

1、新一代多通道高精度低噪聲綜合電學測量儀 M81-SSMhttp://www.zjmenchuan.com/st166724/product_38150225.html2、無液氦綜合物性測量系統(tǒng) - PPMS DynaCoolhttp://www.zjmenchuan.com/st166724/product_16863092.html