CN102313874A - 一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，它用于研究极低温下微波辐照对材料电学特性和自旋特性的影响。样品杆由不锈钢管、波导管及转接口、同轴电缆及转接口、测试引线及插座，样品架、密封套和抽气口等组成。系统的主要特征在于将波导管和同轴电缆引入样品杆内，波导管和同轴电缆分别将高频和低频微波导入到样品处；波导管选用高强度、低热导率的碳纤维复合材料管，实现了样品温度在极低温下的稳定。该系统为极低温、强磁场中微波辐照下磁输运测试和自旋共振研究提供了有力的研究工具。

Description

一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆

技术领域

本发明涉及一种半导体材料的磁输运测试的样品杆，具体涉及一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，它是一种在极低温、强磁场及微波辐照下对半导体材料电学输运性质进行研究的样品杆，用于原位研究微波辐照下电输运量子效应和电子自旋共振等。

背景技术

在半导体材料与器件相关的测试手段中，磁输运是一种重要而基础的研究手段，用以研究材料的载流子浓度，类型和迁移率等基本信息。而在深低温的条件下，众多量子效应呈现出来，作为对经典电导的修正，电导的量子效应反映出材料的自旋特性等物理信息，这些特性可能在新一代的物理器件——自旋电子学器件中得到应用，因此具有重要的研究价值。对电导的量子效应进行研究已经成为一门新的学科，研究的现象包括磁阻振荡、量子霍尔效应、弱局域与反弱局域效应、量子隧穿等。

这些研究大部分采用传统的深低温磁输运测试样品杆，不能实现加微波辐照这一手段，而近年来已经发现微波辐照对电导量子效应有明显的影响，基于这一领域的重要性，本发明在传统磁输运测试样品杆的基础上设计了能原位进行微波辐照的样品杆，在样品杆的中间引入波导管和同轴电缆，实现了微波频率的大范围连续变化，能够实现原位研究微波辐照下的材料电学输运性质，为极低温、强磁场及微波辐照下磁输运测试和自旋共振研究提供了有力的研究工具。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，解决传统输运测试不能得到电学特性的微波辐照响应的问题。

本发明在传统的半导体材料极低温、强磁场磁输运测试中引入微波辐照，从而原位研究微波辐照对材料经典电导以及自旋轨道分裂能的影响，同时也能进行电子自旋共振方面的研究。其中所说的微波辐照包括不同功率和不同频率的连续及脉冲微波信号，所说的磁输运测试包括在不同微波频率、功率和磁场、温度下对材料的电阻率、霍尔系数、电流-电压曲线等电学输运性质的测量。

本发明，克服了热稳定性和气密性等技术障碍，在传统样品杆内部引入波导管和同轴电缆，能够在磁输运测试的同时将微波导入到样品处，实现了微波辐照下电学输运特性和自旋特性的原位研究，为微波磁输运研究提供了一种有效工具。

本发明的技术方案如下：

样品杆包括不锈钢管101、接口盒102、同轴波导转换口103、同轴电缆接口104、测试引线接口105、接口盒抽气口106、波导管107、同轴电缆108、测试引线109、密封套110、密封套橡胶圈111、密封套法兰盘112、密封套抽气口113、固定支架114、样品架115和样品插槽116，基本结构见附图1。

不锈钢管101顶部与接口盒102密封焊接，同轴波导转换口103、同轴电缆接口104、测试引线接口105和接口盒抽气口106安装于接口盒102侧壁，波导管107、同轴电缆108和测试引线109从不锈钢管101中平行通过，非磁性不锈钢制成的密封套110套在不锈钢管101上并可以自由滑动，其上端与不锈钢管101通过密封套橡胶圈111密封，下端为密封套法兰盘112，侧壁安装有密封套抽气口113，固定支架114塞紧于不锈钢管101的底部，其上部固定住波导管107，下部通过螺钉与样品架115相连，同轴电缆108穿过固定支架114上的孔将微波信号引入样品架115，测试引线109穿过固定支架114上的孔连接到样品插槽116上。

不锈钢管101采用非磁性不锈钢制成，主要起支撑和密封作用。不锈钢管101的内径能够允许波导管107、同轴电缆108、测试引线109从不锈钢管101中通过，外径在确保不锈钢管101能够插入所需低温杜瓦的情况下应尽量大一些，以保证不锈钢管101的强度。

接口盒102采用非磁性不锈钢制成，其顶部具有法兰盘并与顶盖螺钉密封连接，其底部与不锈钢管101顶部密封焊接，其侧壁开口用于安装同轴波导转换口103、同轴电缆接口104、测试引线接口105和接口盒抽气口106。

同轴波导转换口103安装于接口盒102侧壁，外端为外同轴电缆接口，内端与波导管107连接，实现微波信号由外同轴电缆到波导管的转换连接。同轴/波导转换口103内、外端之间气密。

同轴电缆接口104安装于接口盒102侧壁，外端为外同轴电缆接口，内端与同轴电缆108连接，实现微波信号在同轴电缆108、外同轴电缆之间的连接。同轴电缆接口104内、外端之间气密。

测试引线接口105安装于接口盒102侧壁，外端为多芯插座，内端与测试引线109连接，实现测试信号的内、外连通。测试引线接口105内、外端之间气密。

接口盒抽气口106安装于接口盒102侧壁，底部与接口盒102侧壁焊接，顶部为法兰盘。接口盒抽气口106用于连接抽气泵，以满足减压降温时从样品杆中抽气减压的需要。

波导管107固定在不锈钢管101内部，下端由固定支架114固定，支架留有气孔，以满足减压降温时从样品杆中抽气减压的需要。为防止波导管107在极低温环境中向样品架115导热，从而导致样品架115上的样品温度无法稳定在极低温，波导管107采用热导率低的碳纤维与树脂压制的复合材料碳纤维管制作，内壁光滑并镀铜以增加微波传输能力。波导管107主要用于传输高频微波。波导管107上端与同轴波导转换口103连接，下端截断后，断面正对样品架115上的样品插槽116。

同轴电缆108与波导管107在不锈钢管101内部平行排列，主要用于传输低频微波。同轴电缆108上端与同轴电缆接口104连接，下端截断后，断面正对样品架115上的样品插槽116。

测试引线109为多芯导线。测试引线109上端与测试引线接口105连接，下端连接样品架115上的样品插槽116，用于连接样品，引出测量信号。

密封套110采用非磁性不锈钢制成，密封套110上端与不锈钢管101通过密封套橡胶圈111密封，密封套110可以在不锈钢管101上自由滑动。密封套110下端为密封套法兰盘112，此法兰盘用于密封连接容纳样品杆的低温杜瓦腔体。由于密封套110可以在不锈钢管101上自由滑动，因此密封套法兰盘112与低温杜瓦密封连接后，样品杆可在低温杜瓦中自由抽动，使得样品杆下端的样品架115能够进入低温杜瓦的极低温区域(如果此低温杜瓦包含超导磁铁，则此极低温区域还有强磁场)。密封套110侧壁上安装有密封套抽气口113，此抽气口用于连接抽气泵，以满足减压降温时从容纳样品杆的低温杜瓦腔体中抽气减压的需要。

如图2所示，固定支架114由聚四氟乙烯制成，其上部塞紧于不锈钢管101下端面，波导管107固定在支架中间的孔中，支架边缘上留有四个对称气孔，使得同轴电缆和测试引线通过，同时满足抽气减压的需要，气孔呈槽型，支架下半部分为平行双臂结构，位于下边缘对称位置，双臂下端各打一圆孔，通过螺栓与样品架115连接。

样品架115用硬质PVC塑料制成，为提篮形状，样品插槽116位于提篮底部。样品架115由固定支架114固定于不锈钢管101底部，使得样品插槽116正对波导管107和同轴电缆108的下端断面，从而使得插槽中样品接受微波辐照。样品插槽116材质为PVC塑料，允许微波透过，样品插槽116可安置在样品架115提篮底部的内侧或外侧，使得插槽中的样品正、反面均可接受微波辐照。

样品杆下端部件包括固定支架114、样品架115、样品插槽116的分解视图在图2中示出。

本发明的使用方法与过程如下：首先将样品安插到样品插槽116上，将密封套110滑动至样品杆下端，固定支架114和样品架115此时应包含在密封套110内，密封套110与低温测试杜瓦通过密封套法兰盘112和橡胶垫圈连接密封，将抽气管与密封套抽气口113上的法兰盘通过橡胶圈连接密封，此时接口盒抽气口应由挡板和橡胶圈密封，整个样品杆与杜瓦测试室为一密封系统，与大气处于隔离状态，利用机械泵通过密封套抽气口114抽气，将样品杆内的空气抽出，防止空气在深低温下凝固而将系统冻结；由于密封套110可以在不锈钢管101表面自由滑动，此时可以将不锈钢管101以及固定在其上和其内的样品杆主体插入到杜瓦内的深低温强磁场环境中，插入过程要缓慢，这是因为内外温差巨大，缓慢进入有利于保护系统和样品，也会节省低温介质(液氦)，当不锈钢管101全部插入杜瓦内时，密封套110上端与接口盒102下端接触，此时样品架115、样品插槽116和样品已经进入深低温和强磁场中心，此时整个系统如附图3所示。将低温液体液氦注入样品处，此时样品处于4.2K左右的低温中，将抽气管移至接口盒抽气口106进行抽气减压，可以将样品室内的温度降至1.3K左右。此时连接各种测试电表与测试引线插座105，将微波发生器输出端用同轴电缆导入到样品杆内，如果是低频微波，则同轴电缆连接到同轴电缆接口104，低频微波通过同轴电缆108辐照到样品上；如果是高频微波，同轴电缆连接到同轴/波导转接口103上，高频微波通过波导管107辐照到样品上。连接好系统后，待系统稳定到所需测试温度，即可以进行微波辐照下的磁输运测试。

本发明具有如下优点：将波导管和同轴电缆同时引入磁输运测试样品杆，能够将很宽的功率和频率范围内的微波信号导入到处于极低温、强磁场环境中的样品上，实现了微波辐照下的电学输运性质原位测量。波导管体材料采用了碳纤维复合材料，大大降低了导热率，实现了样品温度在极低温下的稳定。

附图说明

图1：样品杆基本结构图。图中各部分为：不锈钢管101、接口盒102、同轴/波导转换口103、同轴电缆接口104、测试引线接口105、接口盒抽气口106、波导管107、同轴电缆108、测试引线109、密封套110、密封套橡胶圈111、密封套法兰盘112、密封套抽气口113、固定支架114、样品架115、样品插槽116。

图2：样品杆下端部分各部件分解视图。

图3：样品杆使用说明示意图。

具体实施方式

下面根据发明内容和附图说明给出本发明的一个较好的实例，结合实例进一步说明本发明技术细节、结构特征和功能特点。但此实例并不限制本发明范围，合乎发明内容和附图说明中描述的实例均应包含在本发明范围内。

样品杆所有部件都要求非磁性，否则在强磁场下会造成破坏和干扰。不锈钢管101选用不锈钢材料，由于内部要安装波导管107、同轴电缆108、测试引线109，内径要适当大些，因此选用内径25mm，外径28mm，壁厚1.5mm长约180cm的不锈钢管。

接口盒102为方形，尺寸约为5x5cm，顶盖四周均匀排列12个内六角螺栓通过法兰与接口盒102紧密连接，中间有氟橡胶垫圈密封。接口盒102侧壁上分别是四个出口：同轴/波导转换口103，同轴电缆接口104，测试引线接口105和接口盒抽气口106，除接口盒抽气口106焊接固定在侧壁上之外，其他三个均使用密封胶进行密封。同轴/波导转换口103采用侧入式结构，适用频率20～40GHz，相对带宽41％，外部适配微波信号源外同轴电缆，接口为螺栓式，内部连接波导管107，接口为嵌套式，将波导管插入固定。同轴电缆接口104两侧均连接同轴电缆，外接口为螺栓式与同轴/波导转换口103相同，内接口为嵌套式，同轴电缆108插入其中，内外导电层分别接通。测试引线接口105为19针插座，本身具有气密性。接口盒抽气口106焊接固定密封在接口盒102侧壁上，为不锈钢材质，长约3cm，内径0.5cm，外径0.7cm左右，顶端通过氟橡胶垫圈和法兰盘与抽气管密封连接。考虑到强度和导热性的要求，波导管107采用碳纤维与树脂压制成的复合材料，为保证强度，管壁要适当厚，为保证高频传输截止频率小于同轴电缆108传输的上限26.5GHz，实现频率的全波段覆盖，内径应不小于10mm，因此选用内径10mm，外径12mm的碳纤维管，为保证传输效率，碳纤维管内壁要求光滑，圆度要求高，在内壁镀一层反射电磁波良好的铜，保证最大传输效率。在该系统中，波导管107用于传输频率高于26.5GHz的高频微波，低于26.5GHz的低频微波由同轴电缆108传输。波导管107下端用聚四氟乙烯质的固定支架114固定在不锈钢外壳下端，支架上留孔，允许同轴电缆和测试引线通过以及满足抽气减压降温的需要。同轴电缆108采用使用频率高、低损耗低驻波、机械相位稳定性好的Micro coax UFB311A同轴电缆，工作频率范围为DC～26.5GHz。测试引线109采用多芯导线，外有漆包绝缘，上端连接测试引线接口105，下端连接样品架115上的样品插槽116。密封套110采用不锈钢材质，须将样品杆露出不锈钢管101下端部分包含在内，长度约20cm，内径约35mm，与低温杜瓦接口相匹配，密封套一侧有密封套抽气口113，为不锈钢结构，垂直焊接固定在密封套110外侧壁上。密封套上端口径较不锈钢管101外径略粗，通过密封套橡胶圈111与不锈钢管101实现密封连接，这种连接使得密封套110可以在不锈钢管101外侧自由滑动。密封套法兰盘112为密封套110下缘的延伸部分，用于密封套110与低温杜瓦的密封连接，宽约5mm，厚约1.5mm。密封套抽气口113位于密封套110侧壁，长短和内外径尺寸与接口盒抽气口106基本相当。固定支架114为聚四氟乙烯材质，上半部为环形结构填充在波导管107与不锈钢管101之间，长约3cm，位于不锈钢管下端内侧，留有四路对称气孔，四路气孔分别起通过同轴电缆108、测试引线109和满足抽气需要的作用，气孔呈槽型，深度约5mm，沿平行不锈钢管101轴线方向贯通，固定支架114下半部分长约5cm，伸出不锈钢管101下端，为平行双臂结构，双臂内间距2.5cm，臂宽2.5cm，厚1mm，双臂下端各打一直径2mm圆孔，通过螺栓与样品架115连接。样品架115材质为硬质PVC塑料，形状为提篮状，提篮两侧壁外宽度与固定支架114下端双臂内间距相等，为2.5cm，两侧壁与固定支架114臂等宽，侧壁中心相应各打2mm圆孔，通过螺栓与固定支架114下端双臂连接。提篮底部近似为方形结构，尺寸为2.3x2.5cm，正中固定有样品插槽116，样品插槽116正对波导管107和同轴电缆108下断面，距离下端面约5cm，为双排插槽结构，排间距约为0.7cm，每排插槽有4孔，孔间距为1mm，孔内有镀铜非磁性金属管脚，方便样品安装时针脚插入，每个管脚与一条测试引线相连，接通测试引线插座105上的一个针脚。样品插槽116可以用环氧树脂固定在样品架115提篮底部的内侧或外侧，根据样品顶部是否有栅极覆盖确定。

Claims (6)

1.一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，包括：不锈钢管(101)、接口盒(102)、同轴波导转换口(103)、同轴电缆接口(104)、测试引线接口(105)、接口盒抽气口(106)、波导管(107)、同轴电缆(108)、测试引线(109)、密封套(110)、密封套橡胶圈(111)、密封套法兰盘(112)、密封套抽气口(113)、固定支架(114)、样品架(115)和样品插槽(116)，其特征在于：

所述的不锈钢管(101)顶部与所述的接口盒(102)密封焊接，所述的同轴波导转换口(103)、所述的同轴电缆接口(104)、所述的测试引线接口(105)和所述的接口盒抽气口(106)安装于接口盒(102)侧壁，所述的波导管(107)、所述的同轴电缆(108)和所述的测试引线(109)从不锈钢管(101)中平行通过，所述的非磁性不锈钢制成的密封套(110)套在不锈钢管(101)上并可以自由滑动，其上端与不锈钢管(101)通过密封套橡胶圈(111)密封，下端为密封套法兰盘(112)，侧壁安装有密封套抽气口(113)，固定支架(114)塞紧于不锈钢管(101)的底部，其上部固定住波导管(107)，下部通过螺栓与样品架(115)相连，同轴电缆(108)穿过固定支架(114)上的孔将微波信号引入样品架(115)，测试引线(109)穿过固定支架(114)上的孔连接在样品插槽(116)上。

2.根据权利要求1所述的一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，其特征在于：所述的不锈钢管(101)采用非磁性不锈钢制成，其内径应保证波导管(107)、同轴电缆(108)和测试引线(109)从不锈钢管(101)中通过，其外径应保证工作时不锈钢管(101)能够插入低温杜瓦中。

3.根据权利要求1所述的一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，其特征在于：所述的接口盒(102)采用非磁性不锈钢制成，其顶部具有法兰盘并与顶盖螺钉密封连接，其底部与不锈钢管(101)顶部密封焊接，其侧壁开口用于安装同轴波导转换口(103)、同轴电缆接口(104)、测试引线接口(105)和接口盒抽气口(106)。

4.根据权利要求1所述的一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，其特征在于：所述的波导管(107)采用热导率低的碳纤维与树脂压制的复合材料碳纤维管制作，内壁光滑并镀铜。

5.根据权利要求1所述的一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，其特征在于：所述的固定支架(114)由聚四氟乙烯制成，其上部塞紧于不锈钢管(101)下端面，波导管(107)固定在支架中间的上孔中，支架边缘上留有四个对称气孔，使得同轴电缆和测试引线通过，同时满足抽气减压的需要，气孔呈槽型，支架下半部分为平行双臂结构，位于下边缘对称位置，双臂下端各打一圆孔，通过螺栓与样品架(115)连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于微波辐照下磁输运测试的样品杆，其特征在于：所述的样品架(115)用硬质PVC塑料制成，为提篮形状，样品插槽(116)位于提篮底部，样品插槽(116)安置在样品架(115)提篮底部的内侧或外侧使插槽中的样品正面或反面受到微波辐照。

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