Để khảo sát tính chất điện của mẫu, chúng tơi thực hiện các phép đo sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ và điện trở phụ thuộc vào từ trƣờng (từ trở). Trong luận văn này, phép đo đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp bốn mũi dò tại Bộ môn Vật lý Nhiệt độ thấp, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN. Nguyên lý của phƣơng pháp đo là xác định gián tiếp điện trở của mẫu thông qua các phép đo
a) b)
hiệu điện thế và cƣờng độ dòng điện chạy qua mẫu đo. Sơ đồ của phép đo nhƣ Hình 2.6.
Từ Hình 2.6, để xác định điện trở của mẫu ta thực hiện việc so sánh hiệu điện thế giữa hai điểm của mẫu với hiệu điện thế giữa hai đầu của một điện trở chuẩn. Sơ đồ chi tiết của phƣơng pháp đo đƣợc mơ tả nhƣ Hình 2.7.
Từ Hình 2.7, ta thấy hệ đo điện trở bằng phƣơng pháp bốn mũi dị có cấu tạo gồm bốn mũi dị có cấu trúc đặc biệt: các mũi dị nhọn, đƣợc mạ vàng và có lị xo
Hình 2.7: Sơ đồ chi tiết hệ đo điện trở bằng phƣơng pháp bốn mũi dò
bên trong đảm bảo cho sự tiếp xúc điểm với mẫu tốt. Các mũi dò đƣợc đặt thẳng hàng trên bề mặt mẫu. Mũi dò 1,4 đƣợc nối với bộ phận đo cƣờng độ dòng qua mẫu, các mũi dò 2,3 đƣợc nối với bộ phận đo hiệu điện thế qua mẫu. Các bộ phận đo tín hiệu điện (cƣờng độ dòng điện và hiệu điện thế) của mẫu là các kênh của Keithley 2700. Nhiệt độ của mẫu đƣợc xác định nhờ một cặp nhiệt điện gắn vào mẫu, thông qua hiệu điện thế giữa hai đầu cặp nhiệt điện. Để thay đổi nhiệt độ của mẫu thì mẫu đƣợc đặt trong buồng chân khơng và tồn bộ buồng chân khơng đƣợc nhúng trong bình chứa Nitơ lỏng để hạ nhiệt độ. Cịn để nâng nhiệt độ mẫu thì trong quá trình đo việc này đƣợc thực hiện nhờ một lò điện cuốn trên đế buồng mẫu.
Các bƣớc tiến hành phép đo: Tồn bộ buồng chân khơng chứa mẫu đƣợc nhúng trong bình chứa Nitơ lỏng để hạ nhiệt độ. Cho nguồn một chiều có cƣờng độ ổn định đi qua điện trở chuẩn Rf rồi chạy qua các mũi dò 1 và 4 đã đƣợc cho tiếp xúc với mẫu. Tín hiệu - hiệu điện thế từ hai đầu Rf đƣợc đƣa vào kênh 101 của Keithley. Từ giá trị hiệu điện thế này và điện trở Rf ta xác định đƣợc cƣờng độ dòng điện qua mẫu. Đồng thời, hiệu điện thế qua mẫu là giá trị hiệu điện thế từ hai đầu 2 và 3, tín hiệu hiệu điện thế này đƣợc đƣa vào kênh 102 của Keithley. Những số liệu từ Keithley đƣợc số hóa rồi chuyển sang máy tính thơng qua Card IEEE - 488. Máy tính sẽ tự động ghi nhận, sử lý số liệu và vẽ đồ thị sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ bằng phần mềm chuyên dụng.
Công thức xác định điện trở mẫu là:
23 23 f f U U R .R I U (2.3)
Trong công thức (2.3): U23 là hiệu điện thế của mẫu giữa hai điểm 2 và 3, Uf là hiệu điện thế trên hai đầu điện trở chuẩn, Rf là điện trở chuẩn có giá trị xác định và R là điện trở của mẫu.
Đo từ trở:
Mục đích của phép đo này là xác định điện trở của mẫu thay đổi theo từ trƣờng ngoài ở những nhiệt độ xác định.
Về nguyên tắc phép đo này tƣơng tự nhƣ phép đo điện trở. Toàn bộ buồng mẫu đƣợc đặt trong từ trƣờng và có thể thay đổi nhiệt độ. Đầu đo từ trƣờng sẽ xác định các giá trị của từ trƣờng trong quá trình đo.
Ta có thể thực hiện phép đo theo hai cách:
Đo từ trở (MR) của mẫu ở nhiệt không đổi:
Nguyên lý của cách đo là ta giữ nhiệt độ của mẫu ở một giá trị khơng thay đổi đồng thời tăng dần từ trƣờng ngồi bắt đầu từ giá trị H = 0 T. Qua cách đo này ta xác định đƣợc điện trở của mẫu là một hàm của từ trƣờng tại nhiệt độ không đổi
T const
R H . Giá trị từ trở của mẫu đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
T const R H 0 R H MR H .100% R H 0 (2.4)
Trong công thức (2.4): R(H = 0) là điện trở của mẫu xác định khi khơng có từ trƣờng và R(H) là điện trở của mẫu khi có từ trƣờng H.
Đo từ trở biến thiên theo nhiệt độ ở từ trường xác định:
Nguyên lý của cách đo là giữ từ trƣờng của mẫu ở một giá trị không thay đổi đồng thời giảm dần giá trị nhiệt độ của mẫu. Qua cách đo này ta xác định đƣợc điện trở của mẫu là một hàm của nhiệt độ trong từ trƣờng không đổiR T H const . Giá trị từ trở của mẫu đƣợc định nghĩa là:
T const R T, H 0 R T, H MR H .100% R T, H 0 (2.5)
Trong công thức (2.5): R(T, H = 0) là đƣờng điện trở phụ thuộc nhiệt độ khi từ trƣờng tác dụng lên mẫu, R(T, H) là đƣờng điện trở khi mẫu chịu tác dụng của từ trƣờng ngoài H.
Trong luận văn này, sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ đƣợc chúng tôi đo trong hai trƣờng hợp khơng có từ trƣờng (H = 0,0 T) và có từ trƣờng (H = 0,4 T). Còn sự phụ thuộc của từ trở của mẫu vào nhiệt độ MR(T) đƣợc thực hiện theo cách
đo thứ hai: Từ các số liệu từ phép đo điện trở R(T) khi (H = 0,0 T) và khi (H = 0,4 T) chúng tôi xác định giá trị MR theo cơng thức (2.5). Từ đó, chúng tơi vẽ đƣợc đồ thị từ trở phụ thuộc vào nhiệt độ.