量測系統

4.4.1 閉路式循環變溫致冷系統(closed cycle variable temperature refrigerator cryostat)

閉路式循環變溫製冷系統，目的是利用來將樣品降溫，並且利用溫度控制器 (型號為 Lakeshore 340)控制加熱器使溫度控制在我們設定的目標溫度，再進行電 性量測。

閉路式循環變溫製冷系統主要由壓縮機、冷凝頭、樣品載台組成，如圖 4.9，

原理主要是利用壓縮機壓縮高純度氩氣(99.999%)，壓縮過後的氩氣經過冷凍管

藉此降低腔體的溫度，同時為了避免環境中的熱量藉由傳導進入腔體以及降溫過 程中造成水氣凝結而影響量測，我們會將腔體抽至真空 1x10^-3 torr 以下

圖 4.9 閉路式循環變溫系統示意圖[3]。

4.4.2 插入式低溫致冷器(cryostat)

低溫致冷器主要是用來控制樣品溫度於低溫，並且進行量測的儀器。結構如 圖 4.10，由加熱器、樣品載台、樣品室、真空外層、針閥所構成，降溫的原理主 要是利用環境溫度來降溫，實驗中會將低溫致冷器的外層抽至真空約 1x10^-5 torr，

並將內層抽至真空約 10^-2 torr 後，再利用氣球不斷的通入氩氣，此時針閥會打開 讓氩氣流出，確保樣品室都是充滿著氩氣的；接著插入液態氮(溫度約為 77 K) 或液態氩(溫度約為 4 K)中，目的是使得環境的冷源藉由熱輻射的方式傳入內層，

利用內層的氩氣導熱，再利用溫度控制器(型號為 Lakeshore 340)控制加熱器，使 樣品溫度固定在我們設定的目標溫度，溫度達到熱帄衡後，再進行電性的量測。

Compressor

加熱器

樣品

溫度計

圖 4.10 插入式低溫致冷器示意圖。

4.4.3 電性量測系統

電性量測的操作方式主要有兩種，送電流量測電壓、送電壓量測電流，而我 們的量測系統主要有三套，如下列所示，根據元件電阻大小的不同，選擇不同的 量測系統。

當我們電阻約為 10⁸ Ω 以上，我們會選用送電壓量測電流的方式，因為電阻 大的元件，送電流去量測電壓的時候，會有一個充電的時間，通常電阻愈大這個 充電的時間愈長，有時會造成我們樣品的破壞，所以我們會選擇用 Keithley 6517 或 Keithley 6430 來進行量測；而電阻 10⁵ Ω 以下的樣品我們會使用送電流量測電 壓的方式，因為電壓源的輸出解析度不夠小，會造成量測電流過大，對我們樣品 產生破壞，所以我們會選擇用 Keithley 6220+ Keithley 2000 或 Keithley 6430 來進

A. Keithley 6220 + Keithley 2000

Keithley 6220 為一電流源的電錶，最小輸出電流可以到 0.1 pA；而 Keithley 2000 為量測電錶，用來量測電壓，其阻抗為 10¹⁰ Ω，此外在 Keithley 2000 外加 一個高阻抗(10¹⁶ Ω)的放大器，可以將號放大 10、100、1000 倍，主要目的是增 加電錶的阻抗，排除因元件電阻過大而造成量測上的錯誤。

B. Keithley 6517

Keithley 6517 為一電壓源與量測電錶，可以同時送出電壓與量測電流，阻抗 為 10¹⁵ Ω，其電壓最小可以只能輸出 5 mV，當量測小電阻樣品時(<10⁵ Ω)，因為 電壓源解析度不夠高，會使得量測的電流過大，所以我們通常利用它來測量漏電 流。

C. Keithley 6430

Keithley 6430 則包含電流源與電壓源以及量測的電錶，最小輸出電壓 5 μV 與 最小輸出電流 50 pA，阻抗為 10¹⁶ Ω，因此幾乎可以量測我們所有樣品電阻的範 圍，為我們主要的量測儀器。

參考文獻

[1]. W. Lu, P. Gao, W. B. Jian, Z. L. Wang, J. Fang, J. Am. Chem. Soc. 126, 14816 (2004)

[2]. http://www.purdue.edu/rem/rs/sem.htm

[3]. 謝文佳，Charge transport and tunneling in Pb1-XMnXSe nonoarray with weak and strong inter-chain coupling , (國立交通大學，碩士論文，2010)