近代量子力學和凝聚態物理學的建立，大地擴展了人類對材料的認識，將材料研究從力學性能等宏觀尺度拓展到了電子行為主導的微觀尺度，超導、拓撲材料等新奇物態被相繼發現，催生了量子材料器件研究及應用的新領域。
電輸運性質是材料基本的物理屬性之一，量子材料新奇宏觀物理效應如Shubnikov-de Haas(SdH)量子振蕩、量子霍爾效應、反常量子霍爾效應等，都需要通過電輸運測量來研究。此外電輸運測量也是一種zui廣泛zui有力的研究手段，通過調控外界參量（如溫度、磁場、壓力等）和材料屬性（如摻雜濃度、薄膜厚度等），可實現材料輸運性質的可控調節，從而進一步揭示宏觀物性背后的微觀機理。Quantum Design公司的綜合物性測量系統PPMS電輸運選件為用戶的輸運測量提供了一個高 效穩定可拓展的平臺，助力用戶獲得高質量數據。
Mn摻雜Dirac半金屬Cd3As2的可調SdH量子振蕩研究
中科院金屬所張志東、劉偉研究組及其合作單位對不同Mn摻雜濃度的拓撲Dirac半金屬（Cd1-xMnx)3As2的SdH量子振蕩特性展開系統研究，發現SdH振蕩規律隨摻雜濃度顯著變化，說明材料費米面位置嚴重依賴Mn摻雜濃度，此外Mn原子在Dirac半金屬中誘發了反鐵磁性，因而可通過控制反鐵磁序參量來調控材料拓撲性質[1]。
*數據獲?。?4T磁場范圍的綜合物性測試系統（PPMS, Quantum Design），縱向電阻通過標準四端法測量[1]。
SdH量子振蕩是表征拓撲材料量子輸運性質的有力工具，其振蕩信號與材料的費米面結構直接相關。從上圖不同Mn摻雜濃度的Cd3As2合金的電磁輸運測試結果中可以看出，縱向磁阻隨磁場演變存在明顯振蕩行為，且主要振蕩隨溫度升高迅速衰減，振蕩頻率隨Mn摻雜濃度增加迅速降低，表明Mn摻雜濃度嚴重影響材料費米面位置。
SdH量子振蕩規律在不同溫度（如2K，4K）的橫向對比對系統的溫度控制提出了很高要求，不僅需要溫度值準確，更依賴于控溫穩定，PPMS系統控溫穩定性高，在20K以上溫度控制精細可達±0.02%，20K以下則為±0.2%。此外，根據SdH振蕩數據分析費米面面積等物理參量，需要振蕩數據光滑，才能進行高品質擬合，PPMS系統超導線圈激勵磁場線性平穩的演變對高度的數據獲取尤為重要。
電場調控大摻雜濃度銥氧化物Mott絕緣體的電子相圖研究
元素摻雜可以實現對材料輸運性質的調控，但受化學互溶性限制，載流子濃度調控一般在很小范圍（幾個%）。相較之下，柵壓電場調控載流子濃度具有更多優勢，原則上它可以在不影響材料有序程度的基礎上可控可逆的改變載流子濃度，且不受互溶度限制，可以較大程度影響載流子水平。
清華大學物理系于浦教授課題組及合作者通過電場調控下的電輸運研究，次刻畫了大摻雜濃度范圍內銥氧化物Mott絕緣體的電子態的演化情況，全面描繪材料的電子相圖，對關聯材料的研究具有廣泛啟發性意義[2]。
*數據獲?。喝乱淮C合物性測試系統（PPMS DynaCool, Quantum Design），測量結構霍爾棒利用光刻技術，尺寸為1.6 mm*0.4 mm，并濺射一層Pt膜作為柵電，整個結構浸入DEME-TFSI離子液體中，原位測量柵電壓調控下的輸運行為[2]。
在本文中，作者通過電場調控方法先將質子注入到 [SrIrO3/SrTiO3] 超晶格中，基于電中性原理，等量電子會被吸引并填充到靠近費米能的能帶上，從而借助質子插入，實現對特定能帶的電子填充。通過柵壓電場調控下電輸運的實時測量數據發現，隨著電子摻雜濃度的增加，材料先會從一個反鐵磁Mott絕緣體被調控到一個高溫區顯示金屬態、低溫區顯示弱絕緣化的電子態，繼而又重新回到絕緣態，并隨著整個能帶的填滿而變為一個能帶絕緣體。
不同摻雜濃度的電子相圖的全面刻畫，源于不同電場調控下輸運數據的詳細測量。PPMS測量系統不僅提供高 效準確的輸運數據測量，而且用戶可根據測量需要設計實驗，增加柵壓電等，從而實現定制化測量。
二維磁性納米片CrSe2的層厚依賴可調磁序研究
除載流子濃度調控獲得可調輸運性質之外，低維量子材料物性的層厚依賴也是一個重要的研究方向。湖南大學段曦東教授及其合作單位在對二維磁性納米片CrSe2的研究中發現，性質穩定的CrSe2納米片可以很容易生長到無懸掛鍵的WSe2襯底上，其厚度可以可控地調節到單層限。性質穩定、厚度可調的CrSe2納米片將在大程度上拓展二維磁性材料的實際應用前景，有望用于構建高自旋注入效率的自旋電子器件[3]。
*數據獲?。喝乱淮C合物性測試系統（PPMS DynaCool, Quantum Design），配備有一個或兩個鎖相放大器（SR830, Stanford）[3]。
本文提出的在二維WSe2上氣相外延生長的二維范德華磁性CrSe2納米片，具有良好的范德華接觸界面，厚度可調并具有良好的空氣穩定性。從上圖不同層厚納米片的反?；魻栯娮璧膶Ρ瓤梢钥闯觯弘S層厚增加，材料霍爾電阻幅值明顯提升，表明材料由弱鐵磁性變化到強鐵磁性；另一方面隨溫度增加，反?；魻栯娮栊盘柮黠@減弱，并在居里溫度完全消失。納米片在空氣中放置六個月其電磁輸運性質幾乎沒有變化，進一步驗證了該材料的空氣穩定性，同時也可以看出PPMS系統電輸運測量的穩定性與可重復性，一個穩健的精細可控平臺是輸運實驗研究的重要基礎。
電輸運測量選件是Quantum Design綜合物性測量系統PPMS zui廣泛使用選件之一，因為制樣簡單、測試通道多以及自動化程度高而深受用戶歡迎。電輸運樣品托享有技術，全自動測量電阻率、霍爾系數等參量，配合基系統的變溫（1.8-400K）和變磁場（PPMS至大磁場16T， PPMS DynaCool至大磁場14T）環境，可實現材料電磁輸運特性的全面刻畫。
PPMS的電輸運測量不僅是一個高度自動化的平臺，也是一個開放的平臺：結合van der Pauw-Hall選件，方便快捷的采用van der Pauw法測量形狀不規則但厚度均勻的樣品電阻率和霍爾性質；結合轉桿選件，搭配不同樣品板，可以測量面內面外各向異性磁阻；結合高壓腔，可以開展壓力依賴的電輸運研究。
PPMS的電輸運測量也是一個可拓展的平臺，在基本配置的基礎上，用戶可以根據自己的需要，定制化的增加電流源、電壓源以及鎖相放大器等設備。為滿足客戶定制化需求，Quantum Design公司也推出了多種型號的多功能樣品桿，允許用戶將外界儀表電源引線、光纖或者波導通過定制頂板引入樣品空間，進行柵電場調控、光電輸運特性等定制化測量。
為方便用戶對多種樣品桿的制樣情況進行外部檢測，Quantum Design公司新推出了一系列針對外接儀器儀表的測試臺和接線盒設備，歡迎各位用戶咨詢采購。
參考文獻：
[1]. J. Guo et al., Tunable quantum Shubnikov-de Hass oscillations in antiferromagnetic topological semimetal Mn-doped Cd3As2. Journal of Materials Science & Technology 76, 247-253 (2021).
[2]. M. Wang et al., Manipulate the Electronic State of Mott Iridate Superlattice through Protonation Induced Electron‐Filling. Advanced Functional Materials, 2100261 (2021).
[3]. B. Li et al., Van der Waals epitaxial growth of air-stable CrSe2nanosheets with thickness-tunable magnetic order. Nature Materials, 20, 818-825 (2021).
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