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- 就让你孤单 2016-04-15 00:00:00
- 变温霍尔效应实验 引 言 1879年,霍尔(E.H.Hall)研究通有电流的导体在磁场中受力时,发现一种电磁效应:在垂直于磁场和电流的方向上产生了电动势。这个效应被称为“霍尔效应”。研究表明,在半导体材料中,霍尔效应比在金属中大几个数量级,人们对半导体材料进行了大量的深入研究。 霍尔效应的研究在半导体理论的发展中起了重要的作用。直到现在,霍尔效应的测量仍是研究半导体性质的重要实验方法。利用霍尔系数和电导率的联合测量,可以用来研究半导体的导电机理(本征导电和杂质导电)、散射机理(晶格散射和杂质散射),并可以确定半导体的一些基本参数,如:半导体材料的导电类型、载流子浓度、迁移率大小、禁带宽度、杂质电离能等。霍尔效应的研究技术也越来越复杂,出现了变温霍尔、高场霍尔、微分霍尔、全计算机控制的自动霍尔谱测量分析等等。 利用霍尔效应制成的元件,称为霍尔元件,已经广泛地用于测试仪器和自动控制系统中磁场、位移、速度、结构、缺陷、存储信息的测量等。 实验目的 1.了解半导体中霍尔效应的产生原理、霍尔系数计算公式的推导、测量过程中副效应的产生和消除。 2.掌握霍尔效应的测量方法。通过测量数据处理判别样品的导电类型,计算霍尔系数、载流子浓度、电导率、霍尔迁移率等,并求出材料的禁带宽度。 3.在对原理了解的基础上对霍尔效应的应用有更深刻的认识。 实验设备 由北京东方晨景公司提供的CVM200型变温霍尔效应测试系统。由变温恒温器、控温仪、可换向永磁磁铁、霍尔效应测试仪等组成,可将磁、光、电等条件有机地结合在实验中, 是高性价比教学实验、科学研究设备。(东方晨景公司联系方式:010-51668833,邮箱:ales@eastchanging.com) 实验的前期准备工作 一个完整的材料科学研究过程由五个方面组成:科学问题的提出、解决方案、样品的制备、物性测量、分析并写出总结报告。 本实验限于教学时间的要求,只完成Z后两个项目。其实样品的制备对于科学研究非常重要的。样品电极位置的对称性、电极接触电阻的大小以及对称性等都直接 影响到测量结果。通过观察和测量实践,让学生对科学研究中的霍尔效应测量有较好的认识。下面对样品的测试前准备做一点简单介绍: 变温霍尔效应可能的研究对象很广:单晶、薄膜、块材、线材、小颗粒、纳米材料等等。单晶需要在X 射线衍射仪上定向后切片,块材也要切成厚1毫米左右的薄片。其它样品也要做相应的技术处理,使其便于焊电极,并能与恒温器的变温冷指很好地热接触。 能否测试的关键在于:1、制备欧姆接触很好的高度对称测量电极; 2、测量系统的总输入阻抗比样品电极之间的电阻大一万倍以上(否则,漏电会产生较大的实验误差)。 装电测样品时,关键是形成很好的欧姆接触,常见的方法有蒸镀金、铅、铟电极点、压铟后焊接、导电银胶粘接等方法,需要认真、耐心和经验,也需要有一些精细的自制专用小工具。样品与恒温块应有很好的热接触,但又必须是电绝缘的。经常用的方法是先在恒温铜块上刷一层GE低温清漆或缩醛胶(培夫胶)做底胶,等底胶干后,将样品放上,边缘点一点胶,粘住样品,换样品时可以用少量的酒精溶开样品。也可以用导热很好的双面胶纸把样品贴在恒温块上。 所谓的压铟法是指把半个芝麻粒大小的铟粒放在要焊电极的地方,用一个头部圆润的小棒状工具反复压碾,使铟镶入样品表面的微孔或粘附在表面,供焊接引线用。 装完样品,焊好引线后,应认真检查电路,进行室温下的试测。符合要求后,即可进行变温测量。 样品 本仪器中的两块样品均为范德堡法样品,其电阻率较低。 1号样品(S1):美国Lakeshore公司HGT-2100高灵敏霍尔探头,工作电流<10mA。 2号样品(S2):厚 mm, ,Z大电流 mA 仪器使用与实验方法 1.磁场的标定: 系统中的S1为已在室温下标定过的霍尔探头,在室温下用开关选择样品S1,并使恒温器位于可换向永磁磁铁的ZX,恒温器真空抽口垂直于商标面。开机后快速将恒流源输出调到 mA,此时CVM-200的微伏表伏读数即为磁场的特斯拉数。霍尔探头Z大电流为10mA! 2.室温下的霍尔测量: 将19芯电缆与恒温器连接好,样品开关选择样品S2,调整样品电流到50.00mA,开机预热半小时。测量时,将恒温器放置在磁场正ZX,按下开关VH,测霍尔电压VH1,如果电压较小,改到200mV或20mV档;按电流换向开关,测VH2;将黑色的永磁磁体转180°后再测VH3;电流换向,测VH4;将恒温器水平左移,使样品处的磁场为0,按VM开关,测VM1;按电流换向开关,测VM2。按VN开关,测VN1;按电流换向开关,测VN2。样品Z大电流 3.变温测量: 取出恒温器ZX杆,注入液氮(依测量点的多少决定加液氮量),其余依SV-12低温恒温器使用说明书。如不想从80K低温测起,可先将控温设定在270K,再加液氮并及时插入ZX杆,进行较高温度的控温实验。控温时顺时针转动ZX杆至Z低位置,再回旋约180°~720°即可通过控温仪设定控温了。等温度控制稳定后,重复测量过程2,测得此温度点的各项霍尔参数。改变设定温度,测另一个温度点的霍尔参数。 ZX杆旋高则冷量增大,适于快速降温和较低温度的实验。控温精度与PID参数有关,请适当调整ZX杆高度,以提高不同温区的控温精度。 4.安全注意事项: (1)经常检查并保证仪器电接地正常。 (2)湿手不能触及过冷表面、液氮漏斗,防止皮肤冻粘在深冷表面上,造成严重冻伤!灌液氮时应带厚棉手套。如果发生冻伤,请立即用大量自来水冲洗,并按烫伤处理伤口。 (3)实验完毕,一定要拧松、提起ZX杆,防止热膨胀胀坏恒温器。 实验内容与实验步骤 1. 查看样品(由于出厂时样品已经放好,故不需装入样品):拧开真空开关,打开卡箍,即可小心地取下恒温器的细尾部,观看恒温器的结构、样品的电极焊接。查看完后,安上恒温器的细尾部并用卡箍卡紧。即可开始实验。 2. 对恒温器抽真空到2 Pa。 3. 按照接线图接好线。 4. 检查,确定接线正确后。打开控温仪的电源开关,设定恒温器温度。 5. 取出恒温器的ZX杆,分3次向杜瓦里加灌液氮,插入恒温器的ZX杆,拧到底再回转一圈。 6. 打开CVM-200霍尔效应测试仪的电源开关,等待样品温度稳定时,开始测量并记录数据:将恒温器插入可换向永磁磁体ZX,在磁场正反向,电流正反向的情况下分 别测量并记录下4个VH ; 将插入可换向永磁磁体中的恒温器顺着滑槽移到一边, 使样品位于磁场之外,在电流正反向的情况下分别测量并记录下 VM 、VN。 7. 改变设定温度,等待温度稳定后,重复步骤6;从液氮温度到室温之间选定十个实验点,测量并记录下数据。 8. 样品尺寸在出厂时已给定,将上述数据代入相应的公式即可得出所需测量样品的电阻、电阻率、霍尔系数、霍尔迁移率、载流子浓度等随温度变化的特性。 实验数据处理 1. 霍尔系数和载流子浓度: 霍尔电压的方向与电流方向、磁场方面和载流子类型有关,具体详见教科书。本系统所提供的碲镉汞单晶样品在室温下为n型载流子导电,在液氮温度为p型载流子导电。请于实验前用指南针确定电磁铁磁极性与电流方向的关系,供实验判断载流子类型用。 进行霍尔测量时,由于存在热电势、电阻压降等副效应,故要在不同电流方向和磁场方面下进行四次霍尔电压测量,得到四个值:VH1、VH2、VH3、VH4。Z后,霍尔电压: (1) 霍尔系数: (2) 式中:VH是霍尔电压,单位为伏特;t是样品厚度,单位为米; I是通过样品的电流,单位为安培; B是磁通密度,单位为韦伯/米2; 霍尔系数的单位是:米3/ 库仑 对于单一载流子导电的情况: 载流子浓度为: (3) 2.电阻率: 标准样品的电阻率: (4) 其中: 为电导电压(正反向电流后测得的平均值),单位为伏特;t是样品厚度,单位为米;w是样品宽度,单位为米;L是样品电位引线N和C之间的距离,单位为米;而I是通过样品的电流,单位为安培。 对范德堡样品: (5) 其中:I为通过样品的电流(假设在测量过程中使用了同样的样品电流),f为形状因子。对于对称的样品引线分布, 3.霍尔迁移率: 霍尔迁移率: (6) 对于混合导电的情况,按照上式计算出来的结果无明确的物理意义。它们既不代表电子的迁移率,也不代表空穴的迁移率。 说明:还可以用此测量系统测量磁场,即在室温下调节恒流源电流使微伏表上显示的数字和已标定的磁场数字相一致时,样品杆和测量系统即可用作室温下的高斯计。 思考题: 1、 如何确定霍尔电场的方向? 2、 霍尔系数测量中有哪些负效应?通过什麽方式消除它们?哪种负效应不易消除? 3、 如何把爱廷豪森效应从霍尔测量结果中分离出来? 4、 霍尔系数是如何定义的?在什麽物质中(导体还是半导体)—霍尔系数强烈地依赖于温度? 5、 霍尔系数的测量结果是否与样品的几何形状有关?是否与样品性质的均匀有关? 6、 磁阻效应对霍尔系数测量结果有什麽影响?如何减小该影响? 7、 试估计霍尔系数测量的精度。 参考资料 (1) 黄昆,谢希德,半导体物理学 科学出版社,1959。 (2) E.H.Putley,The Hall effect and related phenomena, London Butter-worths,1960。 (3) ZG科学院半导体所 理化测试ZX,半导体检测与分析 科学出版社,1984。 (4) L. J. Van der Pauw, Philips Technical Review, 20, 220(1958-1959)。
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- Clifton TripleBaths系列三槽水浴
温度范围:RT+5°C~99℃
容量范围:2L~4L主要功能:SCS加热技术,三槽设计,每个浴槽可独立控温
描述
CliftonTripleBaths系列水浴,采用三槽设计,每个浴槽可独立控温,以满足不同的温度要求,分浅槽型和标准型两个型号,支持多种实验应用。外壳表面采用独特的耐菌技术,可有效抑细菌生长且易于清洁,一体成型的优质不锈钢内槽,高精度微电脑PID温度控制器和特殊硅橡胶SCS加热技术。加热模块隐藏覆盖于浴槽外部,方便清洁槽内卫生,易于维护,实现槽内空间较大化。特别适合应用于PCR核酸提取、蛋白质纯化、酶活性等实验。特点■ 采用三槽设计,可独立控温,满足不同温度要求
特点
■ 高品质耐腐蚀不锈钢内槽,表面光洁明亮
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■ 硅橡胶SCS加热技术,控温精度高,温度均匀性好
■ 微电脑PID温度控制器,控温稳定、准确性高
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■ 槽体内部无加热管设计,易于清洁和维护
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应用
细胞生物培养、酶研究、分子生物、蛋白质分析、试剂加热、样品制备、解冻、培养基融化、保温等常规恒温实验。更多操作视频请戳我:英国NE Clifton系列水浴-操作视频
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一、什么是快速温变试验?
快速温变试验,也被称为温度循环试验,是模拟产品周围环境温度急剧变化的过程。其通过不断在高温和低温之间循环,以检验产品在极端温度条件下的适应性和耐受力。温度变化速率一般要求5度/min,10度/min,15度/min。这种试验对于航空、汽车、家电、科研等领域的产品研发和生产具有重要意义。
二、快速温变试验的目的
快速温变试验的主要目的是提高产品的可靠性和进行产品质量控制。在产品的研发阶段,通过这种试验可以及时发现产品设计或材料选择上的问题,为产品的改进和优化提供依据。同时,对于生产阶段的产品,该试验可以作为质量控制的重要环节,确保出厂产品能够在各种恶劣环境下正常工作。
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高温介电温谱仪是什么?
高温介电温谱仪是一款专门用于评估电介质材料高温介电机制(材料极化、储能、驰豫、相变、微结构变化、分子团重新取向等)的重要测量系统,该系统通过测量介电常数、介电损耗和阻抗、相位随温度、频率变化的关系,直接得出电介质材料的温度谱、频率谱、阻抗谱、Cole-Cole图等重要的物理性能参数。高温介电温谱仪是科研实验室新材料的开发和研究、生产质量控制和生产工艺优化的重要工具。
高温介电温谱仪从专业角度来说,其实就是高温介电温谱测量系统。高温介电温谱测量系统是为了满足材料在高温环境下的介电性能测量需求而设计的。它由硬件设备和测量软件组成,包括高温测试平台、高温测试夹具、阻抗分析仪和高温介电测量系统软件四个组成部分。高温测试平台是为样品提供一个高温环境;高温测试夹具提供待测试样品的测试平台;阻抗分析仪则负责测试各组参数数据。Z后,再通过测量软件将这些硬件设备的功能整合在一起,形成一套由实验方案设计到温度控制、参数测量、图形数据显示与数据分析于一体的高温介电温谱测量系统。
高温介电温谱测量系统就是可以在高温、真空、气氛测量条件下测量电介质材料的介电常数和损耗、阻抗谱COLE-COLE图、机电耦合系数Kp的科研仪器设备。除高温介电温谱测量系统外,北京华测试验仪器有限公司还有高低温介电温谱测量系统、低温介电温谱测量系统(由低温真空探针台和介电测量套件组成)等。
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电子电器行业
- 电子产品性能检测:如手机、电脑、平板等消费电子产品,通过快速温变试验箱模拟不同环境温度的快速变化,检测产品在高温、低温以及温度快速交替变化条件下的性能稳定性,确保产品在各种气候条件下都能正常使用,降低故障率
- 电子元器件可靠性评估:对于芯片、集成电路、电阻、电容等电子元器件,该试验箱可帮助评估其在温度冲击下的可靠性,提前发现潜在的质量问题,保证其在实际使用中的长期稳定性,提高电子产品的整体质量
汽车行业
- 零部件耐久性测试:汽车发动机、变速器、传动轴等机械零部件,在快速温变试验箱中进行测试,可模拟其在不同季节、不同地域使用时的温度变化,检验零部件的耐久性和可靠性,确保其在长期使用中不会因温度变化而出现性能下降或损坏等问题
- 电子系统稳定性检测:汽车上的电子控制系统、车载电脑、传感器等电子设备,对温度变化较为敏感。通过快速温变试验,可验证这些电子系统在温度快速变化环境下的稳定性和兼容性,保障汽车电子设备的正常运行,提高行车安全性
- 材料性能验证:汽车内饰件、外饰件、密封件等使用的塑料、橡胶、涂料等材料,需具备良好的耐温性能。利用快速温变试验箱可测试这些材料在温度快速变化时的物理性能变化,如硬度、柔韧性、附着力等,确保材料在不同温度环境下仍能满足使用要求
航空航天领域
- 材料筛选与评估:航空航天中使用的复合材料、金属合金等材料,需承受太空和高空环境中剧烈的温度变化。快速温变试验箱可模拟这些极端温度条件,对材料的强度、韧性、热膨胀系数等性能进行测试和评估,筛选出符合严格要求的材料,保障飞行器的结构安全和性能稳定
- 电子设备可靠性保障:航天器和飞机上的电子设备,其可靠性直接关系到飞行任务的成败。通过快速温变试验箱对电子元器件、电路板及整个电子系统进行测试,能够提前发现并解决潜在的故障隐患,确保电子设备在复杂的温度环境下稳定可靠地工作
- 零部件耐久性考核:飞机发动机叶片、机翼结构件等关键零部件,需具备极高的耐久性和可靠性。利用快速温变试验箱模拟飞行过程中的温度变化,对这些零部件进行耐久性考核,为航空航天产品的质量和安全提供有力保障
新能源领域
- 电池性能与安全测试:新能源汽车的电池包、动力电池等,在不同的使用环境和工况下会经历温度的快速变化。快速温变试验箱可模拟这种温度变化条件,对电池的充放电性能、容量保持率、内阻变化、安全性等进行全面测试,确保电池在各种环境下的性能稳定和使用安全,延长电池的使用寿命
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