CN110275077B - 一种宽温区强磁场中热电效应的电学测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽温区强磁场中热电效应的电学测试方法，包括以下步骤：(1)在基片上生长磁性绝缘体薄膜和金属薄膜组成待测样品；(2)将待测样品的磁性绝缘薄膜一侧用导电银胶和金属块粘接，在样品薄膜的金属薄膜一侧上涂上低温绝缘导热胶和加热贴片电阻粘接；(3)金属块和样品座相连，样品座放入到低温强磁场平台，测得磁性绝缘体薄膜一侧的温度；(4)通过贴片电阻通电前后的阻值变化测得最终的温度差。本发明可在较大的温度范围(2K～400K)内，定量测量磁性绝缘体薄膜中的温度梯度，测试信号信噪比好，能测到nV量级信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电效应的电学测量方法，具体涉及一种宽温区强磁场中热电效应的电学测量方法。
背景技术
塞贝克效应是指在半导体和金属中温度差能够引起电压差，一个最为常用的应用是探测温度的热电偶。自旋塞贝克效应是指在磁性绝缘体薄膜中，温度差能够产生自旋流，该自旋流可以由相邻金属中的逆自旋霍尔效应转化为电压被探测，同时自旋塞贝克效应的优势是它可以出现在磁性绝缘体薄膜中。研究磁性绝缘体薄膜体系中的自旋塞贝克效应对未来相关电子器件的开发有着实际的应用价值，目前科研界聚焦于不同体系、不同温度、不同磁场的定量研究。商用的低温强磁场平台可以为研究人员提供低温和强磁场，但仍然有如下缺点：(1)无法在极低温的环境下测试，测试温度范围较窄。极低温下材料的热导率变差，无法施加大的温度梯度，热稳定性也会有很大的影响；(2)无法定量测量温度梯度，研究体系只适用于效应随温度变化很大的非定量研究；(3)其它一些测量方法需要消耗实验员大量的测试准备时间；(4)有些国外设备厂商有他们自己的解决方案，但都掌握在他们手中，技术垄断，采购他们的配件价格很高，且功能单一无法按照自己需求操作改装。
发明内容
发明目的：本发明提供一种宽温区强磁场中热电效应的电学测量方法，该方法能够在温区较大的范围内测定磁性绝缘体薄膜中的nV量级的微弱电信号。
技术方案：一种宽温区强磁场中热电效应的电学测试方法，包括以下步骤：
a、在基片上生长磁性绝缘体薄膜和金属薄膜组成待测样品；
b、将待测样品的磁性绝缘薄膜一侧用导电银胶和金属块粘接，在样品薄膜的金属薄膜一侧上涂上低温绝缘导热胶，通过低温绝缘导热胶将待测样品的金属薄膜一侧和加热贴片电阻粘接；
c、金属块和样品座相连，样品座通过低温强磁场平台样品腔放入到低温强磁场平台，低温强磁场平台系统温度即为磁性绝缘体薄膜一侧的温度；
d、通过铝线将贴片电阻两端引出和印刷电路板连接进而测试电学信号，贴片电阻不通入电流时，待测样品金属薄膜一侧温度与待测样品磁性绝缘体薄膜温度一致，即低温强磁场平台的温度。当贴片电阻通入电流时，通过测试此时金属薄膜的阻值结合金属薄膜的R-T曲线来确定待测样品金属薄膜一侧的温度，从而得到最终的温度差。
有益效果：(1)本发明可在较大的温度范围(2K～400K)内，定量测量磁性绝缘体薄膜中的温度梯度，测试信号信噪比好，能测到nV量级信号；(2)本发明可在在极低温的环境下测试，且能够施加的温度梯度，保持测试的热稳定性；(3)本发明简单易操作，成本相对低廉，实验人员稍加培训即可在较短时间内完成样品的准备工作；(4)样品测试重复性好，不会损坏样品，且能够适应于不同低温强磁场平台。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明低温强磁场平台的结构示意图；
图3是本发明低温强磁场平台的样品座示意图；
图4是本发明样品座的印刷电路板示意图；
图5是本发明样品座的罩子示意图；
图6是本发明测试电学信号和计算的温度梯度的关系图；
图7是本发明测试电学信号和加热电流的关系图。
具体实施方式
如图1所示，以磁性绝缘体薄膜4和金属薄膜5组成的双层膜样品，测量自旋塞贝克效应，这种测量方法可以满足宽温区、施加温度梯度并进行测量，具体包括如下步骤：
(1)将磁性绝缘薄膜4生长于基片3上，蒸镀金属薄膜，组成待测样品；
(2)将待测样品的磁性绝缘薄膜4一侧用导电银胶2和金属块1粘接，金属块1 需要用导热性好的金属材料，如紫铜，这样当样品加热时，磁性绝缘薄膜4一侧温度变化较小而稳定，有利于测量小电学信号，银胶2在磁性绝缘薄膜4一侧涂抹均匀，使得磁性绝缘薄膜4一侧温度均匀稳定；
(3)在待测样品的金属薄膜5一侧上涂上低温导热绝缘胶6，我们选用美国通用电气公司生产的GE-7031，具体参数见表一，通过低温绝缘导热6胶将样品金属薄膜5一侧和加热贴片电阻7粘接，因为低温绝缘导热胶6接触空气一段时间后溶剂蒸发而固化，贴片电阻7就能和样品粘牢，使得待测样品不易脱落，加热稳定；
(4)通过铝线8将贴片电阻7两端引出和印刷电路板14连接进而测试电学信号，上述粘接方法可以使得样品热学系统稳定，对于测量微弱电信号很重要，同时由于导热良好，能够在大的温度区间内测量(2K～400K)；
(5)确定样品上表面的温度需要测试金属薄膜5的R-T曲线，即在不同温度下测定金属的电阻，最终在试验中测试到电阻的阻值对应的温度就是样品上表面的温度；
(6)金属块1置入样品座12的样品放置区域13，样品座12通过低温强磁场平台样品腔11放入到低温强磁场平台的样品台10，如QuantumDesign公司的低温强磁场平台的样品台10上，低温强磁场平台9的系统温度即为磁性绝缘体薄膜4一侧的温度。贴片电阻7不通入电流时，金属薄膜5一侧温度与磁性绝缘体薄膜4温度一致，即低温强磁场平台9的温度。当贴片电阻通入电流时，通过测试此时金属薄膜4的阻值结合金属薄膜4的R-T曲线来确定待测样品金属薄膜4一侧的温度，从而得到最终的温度差。
由于导热胶6绝缘，因此贴片电阻7通入的电流对金属的电学性质无影响，贴片电阻7通入电流不同，加热效果也不尽相同，得出的温度梯度不同，为达到测量nV量级的微弱电信号，体系需要保持好的热稳定性能。为此需要注意以下几个方面：a、作为冷源的金属块1选用导热性好的材料，且越大越好；b、待测样品磁性绝缘薄膜4一侧与金属块1间的银胶需涂抹均匀；c、贴片电阻7的加热需稳定，低温绝缘导热胶6的导热需均匀且在低温下也具有良好的导热性能；d、为防止气体分子的导热影响，体系所处的真空度越高越好，且为样品外加一个罩子15可以使得局域热稳定性更好。
如图6和7为在室温下(300K)样品电学信号和计算出的温度梯度的关系图、电学信号和贴片电阻加热电流的关系图。由于自旋塞贝克信号和温度梯度成正比，热容不变的情况下，加热功率和通入电流成正二次方，温度梯度和电学信号也就和通入电流成二次方，因此由图可知本发明的加热方式可行且温度梯度计算合理。
表一 GE-7031绝缘导热胶的技术参数。
Claims (3)
1.一种宽温区强磁场中热电效应的电学测试方法，其特征在于包括以下步骤：
a、在基片(3)上生长磁性绝缘体薄膜(4)和金属薄膜(5)组成待测样品；
b、将待测样品的磁性绝缘体薄膜(4)一侧用导电银胶(2)和金属块(1)粘接，在样品薄膜的金属薄膜(5)一侧上涂上低温绝缘导热胶(6)，通过低温绝缘导热胶(6)将待测样品的金属薄膜一侧和加热贴片电阻(7)粘接；
c、金属块(1)和样品座(12)相连，样品座(12)通过低温强磁场平台样品腔(11)放入到低温强磁场平台的样品台(10)，低温强磁场平台(9)的系统温度即为磁性绝缘体薄膜一侧的温度；
d、通过铝线(8)将贴片电阻(7)两端引出和印刷电路板(14)连接进而测试电学信号，贴片电阻(7)不通入电流时，待测样品金属薄膜(5)一侧温度与待测样品磁性绝缘体薄膜(4)温度一致，即低温强磁场平台(9)的温度；当贴片电阻通入电流时，通过测试此时金属薄膜(5)的阻值结合金属薄膜(5)的R-T曲线来确定待测样品金属薄膜(5)一侧的温度，从而得到最终的温度差；
所述待测样品磁性绝缘体薄膜(4)一侧与金属块(1)间的银胶均匀涂抹；所述贴片电阻(7)的加热为稳定加热，低温绝缘导热胶(6)的导热过程为均匀导热且在低温状态下导热性能良好。
2.根据权利要求1所述的宽温区强磁场中热电效应的电学测试方法，其特征在于：金属块(1)采用导热性好的材料。
3.根据权利要求1所述的宽温区强磁场中热电效应的电学测试方法，其特征在于：待测样品的外部设置罩子(15)将待测样品罩住。
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