變溫電性量測系統

4.2.3.1 閉路式循環變溫制冷系統（closed cycle variable temperature refrigerator cryostat）

閉路式循環變溫制冷系統主要是利用壓縮機物理機制，改變冷媒體積與壓 力，達到降低溫度效果々此外在系統本身附加加熱器（heater），給予設定加熱功 率，因此可調控溫度，達到變溫效果。

系統主體元件可分為壓縮機（compressor）、冷凝頭（cold head）與樣品載台

（sample holder）三大部分（如圖 4.10），冷媒材料為高純度氩氣（99.999%），

操作基本原理為〆當高純度氩氣受到壓縮機壓縮後，經由外部冷凍管傳送至冷凝 頭裡的膨脹室（expander），此時壓縮氩氣體積膨脹吸收熱能，造成腔室溫度下 降，隨後將膨脹後帶有熱量之氩氣經由冷凍管排入壓縮機內進行壓縮冷卻，在這

69

壓縮過程產生的壓縮熱先經潤滑油冷卻，再利用圍繞在壓縮機外的冷卻水路帶走。

這些經由壓縮冷卻之高壓低溫氩氣，再度傳輸至膨脹室內進行下個吸熱膨脹過程，

此即完整的氩氣冷卻循環體系 [15]。

圖 4.10 閉路式循環變溫制冷系統示意圖。

此外，裝載在冷凝頭上的樣品載台連接裝置（sample mount），其底部掛載 有一功率 50 W 之加熱器，藉由程式控制輸出功率，將熱能由樣品載台連接裝置 上的銅柱，傳導至裝置上端之樣品載台（sample holder，如圖 4.11）々同時，在樣 品載台下端亦加裝了一功率 50 W 之片狀式電阻，藉以細微調控固定預達溫度々 而控溫系統主要是以 LakeShore 340 controler 所控制，藉由調控 PID 值來自動控 制加熱器功率高低與變化敏感程度。

Compressor

70

圖 4.11 樣品載台示意圖。

綜合以上說明，閉路式循環變溫制冷系統控溫方式，即應用高壓低溫之冷媒，

傳輸至膨脹室改變冷媒壓力與體積，藉此吸收腔室熱量，達到低溫效果，此低溫 亦藉由冷凝頭上之銅柱，傳導至樣品載台，並藉由樣品載台連接裝置上之高功率 加熱器與樣品載台下之片狀電阻提供熱能，與致冷功率（cooling power）相互匹 敵，達到實驗溫度々吸收熱量後的冷媒，再經由冷凍管傳輸至壓縮機上進行壓縮 與釋放熱能，釋放後之熱能隨即由冷卻水帶走。

4.2.3.2 磁場系統

本實驗室所使用的電磁鐵電阻約為3 Ω，磁場主要是應用型號為 F.W. BELL 5170 的高斯計來做測定與校正，搭配電源供應器 GW GPR-7030 HD，於電磁鐵 承受範圍之下，可以提供 11 A 電流，產生最大約 5000 Oe 的磁場。

4.2.3.3 電性量測系統

將製備好的元件，利用真空膠（grease）固定於冷凝頭上的樣品載台（sample holder），將元件之源極（source）與汲極（drain）分別連接至載台上電源訊號線 的兩端，此訊號線經由冷凝頭上的 feedthrough 連接至量測系統上的電流源與電 壓訊號偵測器上。量測系統之電流源型號為 Keithley 6221，量測電壓訊號之電錶

71

為 Keithley 2000，其阻抗值為 10¹⁰ Ω。此外，我們在 Keithley 2000 上外加一自製 的高阻抗訊號放大器（10¹⁶ Ω），可將讀值分別放大 10、100 倍，並且屏除樣品 阻抗過大，造成量測誤差之可能性。電流源的發送指令主要是以 LabVIEW 程式 控制，藉由發送電流並同時截取電壓的方式進行量測。量測系統說明圖可參閱圖 4.12。

圖 4.12 量測系統示意圖。

72