Standard di resistenza Quantized Hall Resistance (QHR) – 6800C

Descrizione prodotto

Lo standard di resistenza Quantized Hall Resistance (QHR) è riconosciuto a livello internazionale come rappresentazione dell’ohm ed è lo standard di resistenza più stabile. Molti laboratori nazionali e realtà industriali necessitano di standard di riferimento altamente accurati e tracciabili per supportare ambienti hi-tech. Measurements International ha sviluppato il nuovo sistema standard QHR 6800C per soddisfare le esigenze dei laboratori nazionali e dei laboratori industriali primari in tutto il mondo.

Il sistema MI 6800C QHR è uno standard primario completamente automatico sviluppato come soluzione economica per fornire uno standard di resistenza altamente riproducibile.

La carenza di elio liquido, le consegne irregolari e i continui aumenti di prezzo sono diventati comuni. Questa situazione, unita agli aumenti costanti dei costi, rende difficile per molti laboratori raggiungere in modo efficiente i propri obiettivi di misura. Il 6800C non richiede elio liquido per funzionare.

Il 6800C è stato sviluppato in molti anni di esperienza nella progettazione di sistemi Quantized Hall, nelle misure di resistenza e nella criogenia. Ha una struttura modulare ed è composto da tre parti: campione, sistema criogenico e sistema di misura a ponte. Questi componenti possono essere acquistati separatamente.

Sono disponibili diverse opzioni, inclusi campioni QHR aggiuntivi e software 6800C.

Il dispositivo QHE è montato su una sonda speciale che attraversa una camera di equilibrio per mantenere il sistema pulito e privo di gas atmosferici e altre impurità che altrimenti potrebbero condensare. Questo è particolarmente importante quando si utilizzano dispositivi QHE non protetti, che devono essere protetti dalla contaminazione da acqua. Sono disponibili due sonde: una per scopi metrologici e una seconda per uso generale come strumento di ricerca.

Il sistema è stato progettato specificamente con una piattaforma a doppio campione per consentire l’utilizzo di campioni QHR GaAs/AlGaAs e Graphene. Entrambi i campioni possono essere inseriti contemporaneamente per eseguire confronti campione-campione.

La piattaforma campione standard dispone di 8 connessioni elettriche con cablaggio in argento isolato PTFE verso uno zoccolo TO8. La sonda viene fornita di serie con due piattaforme campione TO8. Una copertura in rame protegge il campione durante l’inserimento e la rimozione.

Il campione standard di resistenza 6800C fornisce il valore assoluto della resistenza legato alla costante di von Klitzing di 25 812.807 4593 Ω. Operando sul plateau di step i = 2 e i = 4, il 6800C confronta il valore QHR di 12906.40373 Ω con un resistore da 10 kΩ o da 1 kΩ. Il riferimento o campione è stato sviluppato presso il National Research Council of Canada (NRCC) per i campioni al gallio e presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) per i campioni basati su grafene.

Il sistema 6800C supporta anche campioni di altri produttori.

Il 6800C offre una gamma altamente affidabile e ad alte prestazioni di sistemi magnetici cryogen-free con temperature dello spazio campione da 1.3 K a 300 K e campi magnetici fino a 9 Tesla nel sistema standard, senza necessità di criogeni liquidi. Sono disponibili configurazioni speciali con intervallo di temperatura da 0.3 K a 300 K e sistemi magnetici fino a 14 Tesla.

L’uso di tecnologia brevettata consente all’intero sistema di operare tramite un cryocooler a tubo pulsato. Durante le normali sequenze di misura si ottiene un controllo della temperatura affidabile, preciso e altamente stabile.

Una volta collegati all’alimentazione di rete, questi sistemi possono essere avviati ed essere operativi in poche ore. Con intervalli di manutenzione ≥ 30.000 ore, il sistema può essere usato in modo continuo per periodi molto lunghi oppure solo quando necessario, offrendo piena libertà nella pianificazione del lavoro di ricerca e nell’ottimizzazione dei costi di esercizio.

L’architettura modulare e configurabile del sistema consente l’utilizzo di diversi tipi di sonde campione all’interno di un cryo-magnet compatto a campo verticale singolo per eseguire un’ampia gamma di misure.

L’inserto a temperatura variabile (VTI) integrato è raffreddato dal cryocooler e genera autonomamente un piccolo volume di elio liquido 4He da un serbatoio esterno di gas. Il gas 4He viene raffreddato da uno scambiatore di calore in serie che termina in una valvola Joule-Thompson. Qui il gas si espande, si raffredda e quindi condensa per fornire l’ambiente a bassa temperatura. Una pompa meccanica da vuoto esterna viene utilizzata per ridurre la temperatura a 1.3 K.

I campioni vengono caricati dall’alto nella colonna di accesso al campione tramite una camera di equilibrio e una valvola a saracinesca poste nella parte superiore dello spazio campione, consentendo l’accesso alla regione centrale del magnete a temperatura controllata. Non è necessario portare lo spazio campione a temperatura ambiente per cambiare campione. Operatori esperti possono normalmente sostituire i campioni in pochi minuti.

Il 6800C fornisce l’ambiente di precisione controllato in cui vengono eseguite tutte le misure del campione. Il controllo della temperatura, con stabilità a livello di mK, si ottiene tramite un flusso continuo di gas 4He ricircolato in anello chiuso. Questa tecnologia collaudata e affidabile non spreca gas 4He durante il normale funzionamento e garantisce temperature del campione stabili e controllate con precisione nell’intervallo da sotto 1.3 K fino a 100 K.

Il cryocooler da 1 W fornisce capacità di raffreddamento sufficiente a garantire che la temperatura rimanga stabile e omogenea entro 100 mK su un’altezza di almeno 5 cm dal fondo del VTI, dove vengono posizionati i campioni, anche durante variazioni di induzione magnetica a una velocità di 0.5 T/min.

La gamma criogenica degli inserti opzionali a elio-3 è progettata per estendere il range di temperature sperimentali. Utilizzando solo la potenza frigorifera del VTI e due pompe di assorbimento interne a temperatura controllata, la piattaforma campione dell’inserto a elio-3 può essere mantenuta a qualsiasi temperatura da sotto 300 mK fino a oltre 10 K.

L’inserto si inserisce nello spazio a temperatura variabile del 6800C e il contenitore 3He ha un volume di lavoro di elio liquido 3He di circa 1.5 cc. L’inserto standard è dotato di una superficie di montaggio campione in rame dorato. Per il QHR si utilizza uno zoccolo TO8 ancorato al contenitore 3He con un cablaggio appropriato a bassa tensione termica verso lo zoccolo dalla temperatura ambiente.

Il campione QHR è montato direttamente sulla sonda 3He in una camera a vuoto interna. Poiché il campione si trova all’esterno del serbatoio 3He, può essere sostituito senza rischio di perdita della carica di 3He. Il campione è ben messo a terra dal punto di vista termico e tutto il cablaggio verso il campione è completamente stabilizzato termicamente, mantenendo al tempo stesso il livello molto elevato di isolamento elettrico richiesto per il lavoro QHR.

Un termometro e un riscaldatore sono installati sull’inserto 3He per consentire la misura e il controllo della temperatura.

Il sistema di misura 6800C include il ponte ADCC AccuBridge 6020Q operante in aria a temperatura ambiente, che consente di confrontare due resistori con accuratezze migliori di < 0.02 ppm.

Dal 1994 la tecnologia 6010 ha definito lo standard prestazionale dei ponti di resistenza a comparatore di corrente continua (ADCC) nei laboratori di taratura di tutto il mondo. La serie è stata ulteriormente evoluta con la tecnologia AccuBridge ADCC del ventunesimo secolo.

Il vantaggio tecnologico principale di Measurements International nelle misure di resistenza è lo sviluppo dell’unico sistema Quantum Hall portatile commercialmente disponibile, il 6800C, che utilizza un ponte con tecnologia AccuBridge ADCC come sistema di misura operante a temperatura ambiente. Come tutti i ponti ADCC, il range di corrente va da 1 µA a 200 mA, per l’uso sia come ponte Quantum Hall sia come ponte di resistenza. Il modello ADCC 6020Q dispone di una maggiore sensibilità ampere-spira su avvolgimenti slave e master e di un nuovo circuito di retroazione in tensione per migliorare l’errore di linearità dell’amplificatore nanovolt.

Il ponte AccuBridge 6020Q è completamente automatico. Velocità, precisione e accuratezza di misura ne fanno il ponte di resistenza primario preferito dalla maggior parte degli NMI nel mondo. È progettato per flessibilità e facilità d’uso ed è perfettamente adatto anche per la taratura stand-alone di resistori.

Il 6020Q dispone di due ingressi, Rx e Rs. Il numero di ingressi può essere esteso fino a 40 quando utilizzato insieme agli scanner a matrice a quattro terminali low-thermal della serie 4200. Le misure possono essere eseguite automaticamente e, con il software 6020Q di Measurements International, anche con esecuzioni ritardate o pianificate. L’inversione automatica della corrente garantisce l’annullamento degli offset DC e degli effetti termici nel ponte e nello scanner durante la misura.

Come dispositivo stand-alone, il 6020Q è in grado di eseguire controlli di sweep, misure della resistenza di contatto, della differenza di potenziale longitudinale (dissipazione) e della resistenza Hall sul campione QHR. Le funzioni guidate da menu sono selezionabili tramite il display del pannello frontale o via GPIB-488. Inoltre, il ponte a comparatore di corrente DCC 6020Q può essere utilizzato anche come ponte di rapporto per resistenza in corrente continua ad alta accuratezza per la taratura di resistori utilizzando uno standard da 1 Ω o 10 kΩ. Per i laboratori che non dispongono di un sistema QHR, il 6020Q può essere usato per costruire la catena metrologica partendo da 1 Ω o scendendo da 10 kΩ.

Nella misura di sweep check, il 6020Q alimenta una corrente nel source e drain del campione e successivamente la inverte. Ciò consente di misurare le differenze di potenziale tra vari punti del campione. Queste differenze possono essere misurate come resistenze Hall Vxy (1-2) o Vxy (3-4) e come resistenza longitudinale Vxx (1-3) e Vxx (2-4) sul campione. Vxy (1-2) e Vxy (3-4) devono essere in stretto accordo tra loro, così come Vxx (1-3) e Vxx (2-4).

Le misure della resistenza di contatto vengono eseguite utilizzando il rivelatore microvolt del 6020Q. È importante misurare la resistenza di contatto ogni volta che il dispositivo QHR viene portato a temperatura ambiente e successivamente raffreddato di nuovo, poiché resistenze di contatto elevate possono introdurre errori nella misura QHR. Il 6020Q utilizza una misura a tre sonde su ciascun contatto, uno alla volta, per determinare la resistenza di contatto. La resistenza di contatto è pari a Vcr/I = resistenza del filo + resistenza del contatto + resistenza del 2-Deg. La resistenza di contatto dovrebbe idealmente essere inferiore a 1 Ω.

Per un trasferimento accurato del valore QHR è necessario anche misurare la differenza di potenziale longitudinale. Ciò può essere ottenuto misurando tra Vxx (1-3) e Vxx (2-4) usando la modalità nanovolt Vxx del 6020Q. Questa misura serve a verificare che non vi sia dissipazione nel 2-Deg. Quando il 2-Deg è quantizzato, Vxx deve tendere a 0 ed essere < 2 × 10^-8 di Vxy.

Per misure tracciabili, il valore QHR e la relativa incertezza vengono inseriti nel file degli standard ID resistivi e il resistore di trasferimento da 1,000 Ω nel file ID del misurando o incognito. I resistori standard, come quelli da 1 Ω o 10 kΩ, vengono inseriti nel file standard dopo essere stati calibrati. I resistori da calibrare vengono inseriti nel file del misurando (Rx) o incognito. Le funzioni di misura, come la corrente attraverso il resistore incognito, il tempo di stabilizzazione, il numero di misure e il numero di statistiche, vengono anch’esse inserite nel file Programs tramite il tastierino sul touch screen.

Tutti i sistemi vengono completamente collaudati presso lo stabilimento prima della consegna e il cliente è invitato a visitare la sede per osservare i test e ricevere formazione sul funzionamento. L’installazione viene eseguita dai tecnici presso il sito del cliente, dove viene fornita ulteriore formazione agli utenti.

L’installazione include tempo dedicato alla formazione sul sistema per un massimo di 3 giorni.

Il sistema può funzionare con alimentazione trifase a 50 o 60 Hz, in alta o bassa tensione.