鎖相放大器OE1022應用在掃描隧道顯微鏡在超導薄膜中的測量

圖1. 兩線圈互感器示意圖電感測量 (a)傳輸型 (b)反射型

黃色和藍色箭頭分別表示樣品處于正常和超導狀態時驅動線圈發出的磁力線

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

文章基于多功能掃描隧道顯微鏡(MSTM)開發了雙線圈互感裝置，它不僅能實現通常的掃描隧道顯微鏡的功能，而且還能實現原位四點探針(4PP)的電氣功能。利用自行設計的四電極壓電掃描管進行傳輸測量?？梢栽诓粨p壞超導薄膜樣品的前提下為樣本進行所有數據的測量采集，有了這一技術，就可以在一個單獨的特高壓室中通過測量不同溫度(≥ 320 mK)和高磁場(≤ 11 T)下超導薄膜的電學和抗磁性能，對超導薄膜的進行系統性的研究。

樣品 & 測試

互感測量電路如圖2(a)所示。驅動和檢測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)。整個測量系統的噪聲水平低于 10 nV。Lakeshore 350控制器通過調節樣品臺附近的加熱器輸出功率來改變樣品溫度。利用Cryogenic SMS 100控制器在垂直于樣品表面的方向上產生高達11 T的磁場，PC端控制軟件采用LabView 2011編寫。集成了參數配置、數據采集、溫度控制、磁場控制自動測量等功能。

圖2互感測量裝置

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

圖3 (a) 傳輸型的互感測量結果(b) 反射型配置。

圖3(c) 磁穿透深度 λ 和從反射型測量中提取的超流體密度 ns / λ-2結果。彎曲的箭頭表示每個對應的 Y 軸位置數據集

在透射型和反射型配置中，測得的 V-p 作為溫度的函數分別顯示在圖. 3(a) 和 3(b)。 兩者都揭示了在 Tc ～ 11 K 時顯著的超導轉變，由 Vp(T) 曲線的實部表示。 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，這是因為先前研究中提出的渦流反渦流解綁機制。這就是印證NbN 薄膜中存在Kosterlitz-Thouless轉變機制。

總結

綜上所述，作者設計開發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電極。設計的系統能夠有效地測量超導薄膜的抗磁響應以及 STM 和 4PP 電傳輸測量。雙線圈互感測量的性能在 Nb 摻雜 SrTiO3 襯底上生長的 10 nm 厚 NbN 薄膜上的實驗得到驗證，NbN 薄膜在11 K時出現明顯的超導轉變。 可研究新型低維材料的本征超導性。被廣泛應用于研究超薄超導薄膜方面。

在該實驗系統中，賽恩科儀的鎖相放大器是微弱電信號檢測有力工具，為客戶在掃描隧道顯微鏡測量中提供了穩定、有效的實驗手段，為該領域研究的快速進展提供了有力的保障。

審核編輯 黃宇