【科研方法18】做材料，你不容错过的一款强大设备 —— PPMS (综合物性测量系统)

科研sci绘图 2022-05-19

PPMS（Physical Property Measurement System）是美国Quantum Design公司开发的一款对材料的各种物理性质进行基础研究的仪器。

PPMS系统的设计理念是在一个完美控制的极低温(50mK)和强磁场(±16T)平台上，集成全自动的磁学、电学、热学和形貌，甚至铁电和介电等各种物性测量手段。这样的设计使得整个系统的低温和强磁场环境得到了充分的利用，极大减少了客户购买仪器的成本，避免了自己搭建实验的繁琐和误差，可以迅速地实现研究人员珍贵的研究思路。

01 PPMS系统总述

一个 PPMS 系统由基本系统和各种测量和拓展功能选件构成：

基本系统提供低温和强磁场的环境，以及整个系统的软硬件控制中心；
在基本系统平台的基础上还可以选择自己感兴趣的各种测量选件和拓展功能选件。

对于绝大多数常规实验项目， PPMS 已经设计好了全自动的测量软件，和具有标准测量功能的硬件，如交直流电阻率、磁电阻、微分电阻、霍尔系数、伏安特性、临界电流、交流磁化率、磁滞回线、热磁曲线、比热、热电效应、塞贝克系数、热导率和形貌表征等等。经过独特而巧妙设计， PPMS系统上的各种测量选件之间能够互不干扰，且能够简单快速地相互切换。

除此之外， PPMS 系统并非人们想象那样是个 Black Box，而是一个 Magic Box： PPMS 系统上预留了完善的软硬件接口，使得用户能够通过 PPMS 系统控制第三方设备，并利用 PPMS系统自身的低温强磁场环境和测量功能进行用户自己设计的实验，如铁电、介电、光或微波辐照下电输运、电场诱导下磁测量和磁电耦合等测量。

02 PPMS系统组成

PPMS 的基本系统按功能可以分为三个部分：温度控制、磁场控制、软件控制。

基本系统的硬件包括样品室、液氦杜瓦、温控流阻、超导磁体及电源、真空泵、电子控制和数据处理系统等。

样品室
样品室的内径是 26mm。测量时样品室处于密闭的粗真空或者高真空状态，样品变温是通过液氦冷却样品室的室壁、进而冷却室内的传导氦气来降温的（高真空时通过样品台与样品室壁的接触冷却样品）。

左图：双重夹层的样品室（黄色为无氧铜）
右图：不同测量选件使用不同的专用样品托

温度控制

PPMS 系统采用了复杂而精准的温度控制算法。系统同时测量样品室上不同位置的 3 个温度计（1 个铂金，2 个 Cernox 温度计）用于监控样品室内的温度梯度分布，同时控制液氦流量，夹层真空度和 2个线绕加热器，使得系统能够快速精确地控制样品所在区域内的温度变化，并能实现样品温度无限长时间的稳定。

PPMS 系统的多种温度控制曲线

磁场控制

PPMS 系统的磁场是通过对超导磁体励磁获得的，励磁电源为先进的卡皮察双极性电源。

技术参数：
磁场范围：所含超导磁体最大场（可选）：
±9T； ±14T； ±16T
磁场分辨率： 0.02 mT to 1 T
0.2 mT to 9 T
磁场稳定性： 1PPM/hour

软件系统——MultiVu 控制软件

MultiVu 是 PPMS 系统的专用控制软件。

MultiVu 控制软件的测量程序界面

03 PPMS系统应用

1、磁场调制的PE测量

图1 Magnetic Biasing of a Ferroelectric Hysteresis Loop in a Multiferroic Orthoferrite

PRL112,037203(2014) （PPMS+Radiant 铁电测试仪）

2、磁致伸缩测量

图2 Strain measurement results of Dy1-xHoxMnO3（0≤x≤1）. All the obtained strains are referred to the value of 20K, respectively. （a）Under zero magnetic field.（b）Under applied magnetic field of 7T.

3、不同磁场下热释电测量

图3 Multiferroic properties of CaMn7O12 PRB 84,174413(2011) （PPMS+Keithly6514A electrometer）

4、铁电及介电测量

图4 使用Hioki-3532-50 LCR表，自制样品杆在PPMS上用平行板电容方法测得

5、磁电耦合测量

图5 使用Keithley6221 产生在定制的线圈上产生交流场，Standford锁相放大器SR830探测ME电压，自制屏蔽装置屏蔽背景电压噪声。Appl. Phys. Lett. 97, 092501 2010

6、高压下的磁阻测量

图6 “Pressure-Induced Transition in Magnetoresistance of Single-WalledCarbon Nanotubes”. L. Lu, etc. Instituteof Physics.CAS PRL 97, 026402 (2006)

※ 更多精彩内容请关注微信公众号：

1、科研资源包括：

【1】Endnote超详细视频教程大全

【2】C语言和C++编程110G从入门到精通自学教程