霍尔效应-飞时科技（北京）有限公司提供锁相放大器,量子信号测控设备,单光子探测器,信号发生器,精密源,物性测试设备。

霍尔效应

简介：

霍尔效应自被发现以来，历经几十年的发展，已经作为前沿物理研究的重要参考实验。传统的直流测试方法，由于需要经历多次样品，励磁电流换向，造成采样延时，对于变温霍尔效应来说，保持电磁铁和样品温度恒定就成为难题。并且还有测试结果信噪比差，实验时间长等缺点。结合锁相放大器相敏探测技术的调制磁场交流测试方法，可以有效避免直流测试方法的缺点，将低频测试搬到中频或者高频上，提高信噪比，并且减少实验时间。是一种可靠的霍尔效应测试方法，并且由于优秀的高达120dB动态储备，可以用于量子霍尔效应等微弱信号的测试。

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应用说明

相关产品：HF2LI，MFLI

背景介绍

霍尔效应作为进行半导体材料研究中经常用到的物理现象，它已被广泛应用到材料表征和传感器方面。我们可以通过霍尔效应来测试材料的导电性能。在材料的导电性能已知情况下，可以利用霍尔电压与磁场强度的线性关系，制作探测磁场强度的传感器。除了常规的霍尔效应，目前发展起来的量子霍尔效应开创了凝聚态物理研究的新领域，量子输运。随着科学的不断发展，从宏观的霍尔效应到量子霍尔效应，反映着人类认识自然世界的不断深入。基于霍尔效应，发展起来的量子输运，绝缘拓扑材料研究也是目前物理学的前沿领域。那么如何高效，准确的测试霍尔效应就显得尤为重要。传统的范德堡法，利用直流换向抵消其他物理效应带来的误差，但是由于需要一个温度下多次测量造成采样延迟，而样品的温度会随时间发生变化，所以需要保证样品的温度不变。复杂的操作也带来实验时间很长的缺点。新的测量方法在原有的直流换向法基础上，利用调制磁场交流样品电流，使用锁相放大器快速检测出霍尔电压，获得实验结果。实验时间缩短为传统方法的1/10，并且提高信号的信噪比。

锁相测量策略

实验装置

图1.实验装置

霍尔效应实验装置由温控模块，励磁模块，控制模块，测试模块组成。上图为调制磁场交流霍尔效应测试装置。黄色的线圈代表励磁线圈，通过励磁电流产生和样品夹角成90度的均匀磁场。控制模块一般为PC，在传统的直流方法中结合已经成熟的范德堡法，通过上位机软件改变激励，测试电流的方向并将电压测试结果取平均来抵消测试过程中伴随的其他物理效应带来的误差，获得较为准确的测试结果。但是这种直流方法由于存在不可克服的缺点，例如低频段的1/F噪声，长时间测量带来的漂移现象等，不仅实验时间长，而且实验的信噪比差。通过交流测量方法，可以有效避免上述直流测试方法的不利影响，我们通过交流样品电流，利用锁相放大器检测霍尔电压，将测试频段搬到中频或者高频上避免实验的低频段背景噪声的影响，同时让一天甚至一周的实验时间缩减到1/10，可以大大提高实验效率。另外在变温霍尔效应实验中，已有研究证实交流测试等效于范德堡法，可以有效避免四次换向测量，采样延长带来的样品和磁铁的温度变化问题。

图2.变温霍尔效应实验结果（交流测试方法）

在量子霍尔效应中由Vxx导出的ρxx（xx方向的电导率）会出现SDH震荡，原因在于朗道能级穿过费米面，导致费米面上的载流子态密度呈现周期性变化。Vxy导出的ρxy会出现平台现象，原因在于只有磁场强度达到下一个朗道能级强度时，导带的电子才会增加，跳跃突变到下一个平台。这些实验现象有力的证明了量子力学的成功性，是研究量子输运和绝缘拓扑材料的桥梁。

图3.量子霍尔效应现象

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图4.MFLI测试霍尔效应方法

利用数字锁相进行霍尔效应的实验如图所示。这里我们分别测量两个方向的电压，一个是纵向的Vxx，另一个是横向的霍尔电压Vxy。利用Vxx我们可以得到载流子迁移率，Vxy可以得到载流子浓度和载流子类型。我们利用比样品电阻大的多的电阻RL来限制电流，可以认为电流是恒定的。交流测试信号通过MFLI的输出产生，通过电阻从电压变成电流。由于Vxx和Vxy要求测试具有同步性，利用MFLI的同步模块，使时钟同步，其结果相当于用一台机器同时测试Vxx和Vxy。另外测量霍尔效应时，默认电流是常数，然而实际实验中，电流总是会因为各种因素发生变化，例如电阻随温度导致阻值变化。MFLI有电流输入端口，如果安装了MF-MD选件可以在一台MFLI上同时测试霍尔电压和电流，减小实验误差。利用MFLI的差分输入，可以直接测量电势差，而不用分别测量两个位置的电压再相减。

图5.HF2LI测试方法

此外也可以利用苏黎世的另外一款产品HF2进行霍尔效应测量，对比MFLI由于具有双通道输入，可以在一台仪器上实现Vxx和Vxy电压测量。