基于鎖相放大器的掃描隧道顯微鏡在超導(dǎo)薄膜中的應(yīng)用

【概述】
2017 年，上海交通大學(xué)賈金鋒與劉燦華在Review of scientific instruments 發(fā)表了一篇題為《Development of in situ two-coil mutual inductance technique in a multifunctional scanning tunneling microscope》文章，報(bào)道了多功能掃描隧道顯微鏡中原位雙線圈互感技術(shù)的研制。
 

圖1. 兩線圈互感器示意圖電感測(cè)量 (a)傳輸型  (b)反射型.
黃色和藍(lán)色箭頭分別表示樣品處于正常和超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)驅(qū)動(dòng)線圈發(fā)出的磁力線

文章基于多功能掃描隧道顯微鏡(MSTM)開(kāi)發(fā)了雙線圈互感裝置，它不僅能實(shí)現(xiàn)通常的掃描隧道顯微鏡的功能，而且還能實(shí)現(xiàn)原位四點(diǎn)探針(4PP)的電氣功能。利用自行設(shè)計(jì)的四電極壓電掃描管進(jìn)行傳輸測(cè)量。可以在不損壞超導(dǎo)薄膜樣品的前提下為樣本進(jìn)行所有數(shù)據(jù)的測(cè)量采集，有了這一技術(shù)，就可以在一個(gè)單獨(dú)的特高壓室中通過(guò)測(cè)量不同溫度(≥ 320 mK)和高磁場(chǎng)(≤ 11 T)下超導(dǎo)薄膜的電學(xué)和抗磁性能，對(duì)超導(dǎo)薄膜的進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

【樣品 & 測(cè)試】

互感測(cè)量電路如圖2(a)所示。驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)線圈使用同軸屏蔽電纜連接到Keithley 6221電流源和OE1022鎖相放大器(賽恩科儀)。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的噪聲水平低于 10 nV。Lakeshore 350控制器通過(guò)調(diào)節(jié)樣品臺(tái)附近的加熱器輸出功率來(lái)改變樣品溫度。利用Cryogenic SMS 100控制器在垂直于樣品表面的方向上產(chǎn)生高達(dá)11 T的磁場(chǎng)，PC端控制軟件采用LabView 2011編寫(xiě)。集成了參數(shù)配置、數(shù)據(jù)采集、溫度控制、磁場(chǎng)控制自動(dòng)測(cè)量等功能。
 

圖2互感測(cè)量裝置

圖 2(b) 顯示了互感測(cè)量裝置的等效電路。 10 kΩ 的負(fù)載電阻 R 與驅(qū)動(dòng)線圈串聯(lián)，以穩(wěn)定小于 200 µA 的勵(lì)磁電流的相位。 M代表驅(qū)動(dòng)線圈和拾波線圈之間的互感。 Rd和Rp 分別代表驅(qū)動(dòng)器的電阻和檢測(cè)線圈的電阻。 在室溫下的透射（反射）型設(shè)置中，Rd 和 Rp分別約為 20 Ω (40 Ω) 和 5 Ω (7 Ω)。 施加到驅(qū)動(dòng)線圈的電壓信號(hào)也作為輸入到鎖相放大器REF IN作為外部參考信號(hào)。檢測(cè)線圈的輸出與參考信號(hào)之間的所需相位差為90°。 然而，由于驅(qū)動(dòng)線圈和檢測(cè)線圈之間的寄生電容 C，會(huì)發(fā)生虛假相移，實(shí)際相位差測(cè)量為 90° ± 5°
 

圖3 (a) 傳輸型的互感測(cè)量結(jié)果(b) 反射型配置。
 

圖3(c) 磁穿透深度 λ 和從反射型測(cè)量中提取的超流體密度 ns / λ-2結(jié)果。彎曲的箭頭表示每個(gè)對(duì)應(yīng)的 Y 軸位置數(shù)據(jù)集

在透射型和反射型配置中，測(cè)得的 V-p 作為溫度的函數(shù)分別顯示在圖. 3(a) 和 3(b)。 兩者都揭示了在 Tc ∼ 11 K 時(shí)顯著的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，由 Vp(T) 曲線的實(shí)部表示。 在每條 Vp(T) 曲線的虛部中峰值（透射型）或凹陷（反射型）可能與能量耗散有關(guān)，這是因?yàn)橄惹把芯恐刑岢龅臏u流反渦流解綁機(jī)制。這就是印證NbN 薄膜中存在Kosterlitz-Thouless轉(zhuǎn)變機(jī)制。

【總結(jié)】
綜上所述，作者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多功能掃描隧道顯微鏡(MSTM)的雙線圈互感裝置，該裝置在壓電掃描管上有四個(gè)電極。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠有效地測(cè)量超導(dǎo)薄膜的抗磁響應(yīng)以及 STM 和 4PP 電傳輸測(cè)量。雙線圈互感測(cè)量的性能在 Nb 摻雜 SrTiO3 襯底上生長(zhǎng)的 10 nm 厚 NbN 薄膜上的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，NbN 薄膜在11 K時(shí)出現(xiàn)明顯的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變。 可研究新型低維材料的本征超導(dǎo)性。被廣泛應(yīng)用于研究超薄超導(dǎo)薄膜方面。

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，賽恩科儀的鎖相放大器是微弱電信號(hào)檢測(cè)有力工具，為客戶(hù)在掃描隧道顯微鏡測(cè)量中提供了穩(wěn)定、有效的實(shí)驗(yàn)手段，為該領(lǐng)域研究的快速進(jìn)展提供了有力的保障。

【參考文獻(xiàn)】
✽ Canhua Liu, Jin-Feng Jia, et al. " Development of in situ two-coil mutual inductance technique in a multifunctional scanning tunneling microscope." Review of scientific instruments (2017)

【其他文獻(xiàn)】
✽ M. Z. Liu, D. Y. Zhong* et al.“Graphene-like nanoribbons periodically embedded with four- and eight-membered rings. “Nature Communications 8, 14924 (2017)

【推薦產(chǎn)品】

【賽恩產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)】
賽恩科儀鎖相放大器性能穩(wěn)定、收斂速度及在小量程的測(cè)量性能都明顯優(yōu)于某國(guó)際知名品牌鎖相放大器。