CN106569151B - 极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统 - Google Patents

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Abstract

极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统；微机终端通过CAN接口总线与综合物性测量系统和静电计相连，静电计通过BNC测试线与综合物性测量系统的VSM高温炉控制线的14针并口头DB15相接。静电计提供的电压依次通过BNC测试线、VSM高温炉控制线、VSM内置引线的碳纤维导样杆内的引线与样品测试杆上的电极连接，将电压施加到样品上。数据采集分析软件是由Labview开发的软件程序，用以采集综合物性测量系统的温度、磁场以及磁化强度等数据和集静电计上的电压数据，同时能够实时存储各种数据并绘图。最终实现指定温度下磁化强度随指定波形电压变化和不同外加电场下磁化强度随温度变化的测试。

Description

极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统
所属技术领域
本发明专利涉及一种极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统。
背景技术
磁性与铁电材料在现代科技中得到了广泛的应用。铁磁材料具有自发磁矩，且其磁矩可随外磁场变化而发生翻转（开关），从而实现信息存储。铁电材料具有自发电极化，这一电极化可以随外加电场变化而翻转（开关）。与目前广泛应用的存储器相比，基于铁电材料的铁电随机读取存储器(ferroelectric random access memory, FeRAM)具有非挥发性和读取速度快等优点，因此也有巨大应用前景。因此无论是机理研究还是器件表征，对多铁性的表征都是必不可少的。对于具有磁电耦合的磁电材料，磁场调控的电极化是常见的表征手段，与其对应的电场调控的磁化同样可以表征材料的磁电耦合性质，并且电场调控的磁性更具实际应用价值。
美国Quantum Design公司的综合物性测量系统 VersaLab提供了一个能够很好地控制低温和强磁场的平台，集成全自动的电学、磁学、热学、光电、形貌等各种物性测量手段；目前，其已经成为实验数据可靠性的标志，被广泛应用于物理、化学及材料科学的众多研究领域，遍布几乎全世界一流相关实验室。美国Quantum Design公司在“VersaLab物性测量系统产品说明手册”中报道，PPMS本身具有绝大多数常规物性测量功能，但是其拓展功能选件中不具备电场调控的磁性测量功能。针对这一问题，我们利用综合物性测量系统的极端条件，自主搭建了一套电场调控磁性能的测量设备。
发明内容
本发明的目的是提供一个极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，解决现有技术的缺陷，实现在极低温和强磁场条件下测量样品在电场下的磁性能。
技术方案：
极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，包括一个综合物性测量系统、一个静电计、一个微机终端、一根导样杆和一个样品测试杆，所述极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统中，微机终端通过CAN接口总线与VersaLab物性测量系统的控制模块相连，控制模块分别与VSMmodule、VSM motor和液氦杜瓦相连接，VSMmodule、VSMmotor与VSM相连接，并且导样杆上连接的样品测试杆置于液氦杜瓦内；微机终端同时通过GPIB接口总线与静电计相连接，静电计通过BNC测试线与VersaLab物性测量系统中VSM高温炉控制线的14针并口头DB15线焊接连接；静电计提供的电压依次通过BNC测试线、VSM高温炉控制线、导样杆内置引线与样品测试杆引线与样品测试杆上的两个电极相连，最终将电压施加到样品上。
所述综合物性测量系统采用VersaLab，静电计采用Keithley 6517B型。该系统的样品测试杆由铜电极、铜导线以及石英样品杆及线头连接件和五孔接线头8构成，其中铜电极与石英样品杆之间通过AB胶粘结，铜导线与铜电极之间通过焊锡焊接，石英样品杆的上端固接的线头连接件呈圆柱状，线头连接件的上端固接五孔接线头；五孔接线头经线头连接件与铜导线连接。由于铜和石英在整个温区内均不具有磁性，因此该样品测试杆可以有效地减小误差。
该系统的样品测试杆设计成 “L”形，能通过改变样品位置来调整电极与磁场平行或者垂直以实现测试的丰富性；样品与样品测试杆上的电极通过银胶相连，并不通过导线连接，这样可以保证电极与磁场平行或垂直的精确性。该系统的BNC接口还为其他电压输入提供预留端口，比如脉冲电压等。
该系统的数据采集分析软件包含电场调控下磁化强度随温度和时间变化的测试选项，测试指定温度磁化强度随指定电压波形电压的变化和不同电压下的磁化强度随温度的变化。
该系统的数据采集分析软件将VersaLab与MultiVu软件结合，首先在MultiVu软件中编辑并存储指定文件名的文件到指定路径，数据采集分析软件读取该文件的文件名，实现数据采集分析软件的相关运行判断，最终达到MultiVu和数据采集分析软件的通讯。例如：MultiVu的磁测量程序结束，我们添加一条命令在C:\Stop路径下创建一个名为Stop的文件，MultiVu和数据采集分析软件在每次测量过程中都判断C:\Stop路径下是否有名为Stop的文件，如果有则停止测试，并删除C:\Stop路径下的Stop文件，这样便可以有效地避免采集大量无用数据。
数据采集分析软件是由Labview工具自主开发的软件，所述数据采集软件用以采集综合物性测量系统的温度、磁场、电场调控后的磁化强度以及采集静电计上的电压数据等，同时能够实时显示各种数据的图形，并实现数据实时存储。所述软件名称为ElectricControl Magnetism with VersaLab（简写为ECMV），程序界面如图2所示，所述程序从MultiVu的VSM附件存储系统中实时读取温度、磁场以及电场调控后的磁化强度等数据，并不直接与综合物性测量系统通讯。
本发明的积极效果：
1、所述极端条件的极低温度温度范围为50-380K，强磁场范围为0-3T。
2、所述极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统的样品测试杆采用铜电极、铜导线以及石英杆制作而成，由于铜和石英在整个温区内均不具有磁性，因此该样品测试杆可以有效地降低磁测量误差；样品测试杆与导样杆之间通过5孔接线头插拔的形式连接。
3、所述极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统的石英样品杆设计成了“L”形，可以通过改变样品位置来调整电极与磁场平行或者垂直来实现测试的方向性。样品与样品测试杆上的电极通过银胶相连，并不通过导线连接，这样可以保证电极与磁场平行或垂直的精确性。
4、所述极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统的BNC接口可为其他电压输入提供预留端口，比如脉冲电压等。
5、所述数据采集分析软件包含磁化强度随温度和时间变化的测试选项，可测试指定温度磁化强度随指定电压波形电压的变化（可在文本框内任意编辑电压波形），以及不同电压下的磁化强度随温度的变化。
6、所述数据采集分析软件将VersaLab与MultiVu软件完美结合，首先在MultiVu软件中编辑并存储指定文件名的文件到指定路径，数据采集分析软件读取该文件的文件名，实现数据采集分析软件的相关运行判断，最终达到MultiVu和数据采集分析软件的完美通讯，比如：MultiVu的磁测量程序结束，我们添加一条命令在C:\Stop路径下创建一个名为Stop的文件，MultiVu和数据采集分析软件在每次测量过程中都判断C:\Stop路径下是否有名为Stop的文件，如果有则停止测试，并删除C:\Stop路径下的Stop文件，这样便可以有效地避免采集大量无用数据。
7、所述数据采集分析软件在测试过程中，读取的数据实时存盘（并可以实时显示），可防止软件意外关闭导致数据丢失。
8、所述极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统在成熟的平台上拓展新功能，成本低，而且技术可靠。
附图说明
图1本发明系统结构框图。
图2 样品测试杆结构示意图。
图3是样品测试杆侧视图。
图4是样品测试杆俯视图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
参照图1、2，极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，包括一个综合物性测量系统1、一个静电计2、一个微机终端3、一根导样杆1－6和一个样品测试杆9，微机终端3通过CAN接口总线与VersaLab物性测量系统的控制模块1-1连接，控制模块分别与VSMmodule1-2、VSM motor1-3和液氦杜瓦1-4相连接，VSMmodule、VSM motor与VSM1-5相连接，并且导样杆1-6上连接的样品测试杆9置于液氦杜瓦1-4内；微机终端3同时通过GPIB接口总线与静电计2连接，静电计2通过BNC测试线与VersaLab物性测量系统中VSM高温炉1－5控制线的14针并口头DB15线焊接连接；静电计2提供的电压依次通过BNC测试线、VSM高温炉控制线、导样杆1－6内置引线与样品测试杆9引线和样品测试杆上的两个电极相连，最终将电压施加到样品上。导样杆1－6用碳纤维制成，各部分间的连接通过相应的插接座和接线实现。
参照图2、3、4，样品测试杆9的中部是线头连接件7，在线头连接件7的上端固接五孔接线头8，下端固装石英样品杆6，石英样品杆6做成L形，石英样品杆6的底部安装铜电极4，铜电极4与线头连接件7间穿接铜导线5，再连接至项端的五孔接线头8；样品测试杆9通过五孔接线头8与导样杆1－6连接。
实施例一
所述极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，所述综合物性测量系统1采用VersaLab，静电计2采用Keithley 6517B型。
本极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，测试指定温度下磁化强度随指定波形电压变化的具体操作步骤如下：
1、综合物性测量系统1为测试提供所需的极低温和强磁场条件，待测样品为薄片状，其中一个薄片制作为电极并连接铜导线5，无电极的面通过银胶粘在所述电控磁测量系统的样品测试杆9的一个电极上（根据测试需求粘贴在适当位置），将电极上的铜导线5连接到样品测试杆9的另外一个电极即铜电极4上。
2、将样品测试杆9插入导样杆1－6，按照VersaLab安装样品的步骤，将样品放入样品腔，将静电计2的BNC线与综合物性测量系统的VSM高温炉1－5控制线的14针并口头DB15相连。
3、激活VersaLab的VSM附件，并设置数据存储路径及文件名。
4、在数据采集分析软件内浏览MultiVu内存储的磁测量数据文件，并设定电控磁测试数据的存储路径。
5、调节温度至样品的待测温度，通过输入Cycle、Vmax、Vmin及Interval四个参数，点击Generate生成指定波形的电压。
6、先运行MultiVu内的磁化强度随时间变化的程序，再点击所述数据采集分析软件的Run按钮，运行所述数据采集分析软件。
实例二
本极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，测试不同外加电场下磁化强度随温度的变化的操作方法具体操作步骤如下：
1、综合物性测量系统1为测试提供所需的极低温和强磁场条件，待测样品为薄片状，其中一个薄片制作电极并连接铜导线5，无电极的面通过银胶粘在所述测量样品电场下磁性能的系统的样品测试杆9的一个电极上（根据测试需求粘贴在适当位置），将电极上的铜导线5连接到样品测试杆9的另外一个铜电极4上。
2、将样品测试杆9插入导样杆1－6，按照VersaLab安装样品的步骤，将样品放入样品腔，将静电计2的BNC线与综合VersaLab物性测量系统的VSM高温炉1－5控制线的14针并口头DB15相连。
3、激活VersaLab的VSM附件，并设置数据存储路径及文件名。
4、在所述数据采集分析软件的M-T under electric field标签下，输入Savevoltage information路径内容，将系统时间与电压值写入该文件内，以便与MultiVu存储的数据对照来确认测试数据对应的电压值。
5、在MultiVu内编写测试程序，在需要施加电压的位置添加一条在C:\Stop路径下创建一个名为StartVoltage***的文件的命令，MultiVu和数据采集分析软件不断的判断C:\Stop路径下是否有名为StartVoltage***的文件，如果有则施加电压值为***的电压，并删除C:\Stop路径下的StartVoltage***文件，施加电压结束则在C:\Stop路径下创建一个名为Stop的文件，MultiVu和数据采集分析软件在每次测量过程中都判断C:\Stop路径下是否有名为Stop的文件，如果有则关闭电压输出。这样我们可以在一个程序中测试任意多个不同电压下的磁化强度随温度变化的曲线。
6、运行MultiVu内编写好的程序。

Claims (6)

1.极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，包括综合物性测量系统、静电计、微机终端、导样杆和样品测试杆，其特征在于：所述极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统中，微机终端(3)通过CAN接口总线与综合物性测量系统的控制模块(1-1)相接，控制模块分别与VSM module(1-2)、VSM motor(1-3)和液氦杜瓦(1-4)连接，VSMmodule、VSM motor与VSM(1-5)连接，并且导样杆(1-6)上连接的样品测试杆置于液氦杜瓦(1-4)内；微机终端(3)同时通过GPIB接口总线与静电计(2)连接，静电计通过BNC测试线与VersaLab综合物性测量系统中VSM高温炉控制线的14针并口头DB15线焊接连接；静电计提供的电压依次通过BNC测试线、VSM高温炉控制线、导样杆内置引线与样品测试杆上的两个电极连接，最终将电压施加到样品上；
该系统的样品测试杆由铜电极(4)、铜导线(5)以及石英样品杆(6)及线头连接件(7)和五孔接线头(8)构成，其中铜电极(4)与石英样品杆(6)之间通过AB胶粘结，铜导线(5)与铜电极(4)之间通过焊锡焊接，石英样品杆(6)的上端固接的线头连接件(7)呈圆柱状，线头连接件(7)的上端固接五孔接线头(8)；五孔接线头(8)经线头连接件(7)与铜导线(5)连接。
2.根据权利要求1所述的极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，其特征在于：所述综合物性测量系统采用VersaLab，静电计(2)采用Keithley 6517B型。
3.根据权利要求1所述的极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，其特征在于：该系统的石英样品杆设计成“L”形，能通过改变样品位置来调整电极与磁场平行或者垂直以实现测试的丰富性；样品与石英样品杆上的电极通过银胶相连。
4.根据权利要求1所述的极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，其特征在于：该系统的BNC接口还为其他电压输入提供预留端口。
5.根据权利要求1所述的极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，其特征在于：该系统的数据采集分析软件包含电场调控下磁化强度随温度和时间变化的测试选项，测试指定温度磁化强度随指定电压波形电压的变化和不同电压下的磁化强度随温度的变化。
6.根据权利要求1所述的极端条件下测试材料及器件电场调控磁性能的系统，其特征在于：该系统的数据采集分析软件将VersaLab与MultiVu软件结合，首先在MultiVu软件中编辑并存储指定文件名的文件到指定路径，数据采集分析软件读取该文件的文件名，实现数据采集分析软件的相关运行判断，最终达到MultiVu和数据采集分析软件的通讯。
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