[發明專利]一種量子電容測量系統及其測量方法

有效

• 申請號: 202110142420.3
• 申請日: 2021-02-02
• 公開（公告）號: CN112816790B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 劉陽;趙利利
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種量子電容測量系統及其測量方法。本發明將測量電橋集成在樣品臺上，盡可能減小寄生電容的影響；在保持電橋的激勵信號很小的同時提高測量頻率以獲得足夠的測量精度，降低測量發熱和避免影響樣品的量子狀態；本發明使用了超外差結構和鎖相測量方法相結合，利用本地振蕩信號混頻將電橋輸出的高頻信號轉換為低頻信號，再利用低頻鎖相測量技術測得低頻信號的幅度和相位，從而實現對高頻小信號幅度和相位的探測；本發明采用能在極低溫環境中正常工作的電阻電容橋，并通過超外差降頻電路對電阻電容橋產生的高頻信號進行放大和降頻處理，最終實現對量子電容的精確測量。

技術領域

本發明涉及量子電容測量技術，具體涉及一種量子電容測量系統以及測量方法。

背景技術

電容測量研究載流子在外加電場下的充放電過程，是一種極為實用的表征材料和器件的測量技術。在量子材料研究中，通過檢測電容值的微小變化——即量子電容——可以反應載流子費米面的態密度變化。量子電容測量要比常規電容測量困難的多，這是由于：樣品體積小，電容值一般小至fF量級；樣品一般處于真空、低溫或強磁場等測量裝置中，與測量儀表距離遠，測量的寄生電容遠大于待測電容值；當樣品處于極低溫環境中(一般在～100mK或以下)，測量需要極低的激勵。

量子電容測量的首要原則是測量信號不能影響器件本身的量子態。通過對常規量子材料進行估算，可以得知量子電容的一般測量條件。假設一塊用于量子輸運測量的GaAs二維電子氣樣品的面積為A＝(100μm)²，電子密度為n＝10¹¹cm^-2，介電層厚度為d＝500nm。其攜帶的電荷量為Q＝Ane＝1.6×10^-12C，其中e為電子電荷量。由于測量信號在每個周期內所引起的電荷變化量ΔQ要遠遠小于Q，所以一般要求ΔQ＜0.01Q＝1.6×10^-15C。同時，因為測量頻率ω＝I_in/ΔQ，其中I_in為激勵電流，常規測量要求I～10nA量級以上才能更便于后續測量信號的提取和放大，所以測量頻率必須在MHz量級以上才能滿足要求。

該樣品的幾何電容值為其中ε_r＝13為GaAs介電層的相對介電常數，ε₀為真空介電常數，待測電容C_DUT滿足其中C_Q為待測樣品的量子電容值，量級通常為的0.01。所以量子電容的測量不僅需要測量到極小電容值，而且測量精度需要遠大于1％。

此外，由于待測樣品處于低溫設備中，依靠數米長的連接線與處于室溫端的測量儀器連接，連接線有～200pF的寄生電容存在，遠大于待測電容C_DUT，所以傳統的電容測量儀器并不能直接對待測樣品的電容進行直接測量。

目前，對低溫下的量子電容測量的主要方法是將前級放大器直接放在電容橋附近，減少線纜電容的影響，并達到耦合、輸送輸出電壓的目的。但是由于前級放大器功耗過高，目前已知的工作溫度最低為50mK。但一些量子態的出現往往需要更低的溫度，例如5/2分數量子霍爾效應，所以這些測量方法對于更低溫度才能出現的量子電容有較強的局限性。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提出了一種量子電容測量方法以及相應的測量系統。該方法采用平衡電橋和超外差解調的信號測量方法實現對量子電容的測量。

為了盡可能減小寄生電容的影響，本發明將測量電橋集成在樣品臺上；為了降低測量發熱和避免影響樣品的量子狀態，在保持電橋的激勵信號很小的同時提高測量頻率以獲得足夠的測量精度；為了實現對高頻小信號的電橋輸出信號的精確測量，本發明使用了超外差結構和鎖相測量方法相結合，利用本振信號混頻將電橋輸出的高頻信號轉換為低頻信號，再利用低頻鎖相測量技術測得低頻信號的幅度和相位，從而實現對高頻小信號幅度和相位的探測。

本發明的一個目的在于提出一種量子電容測量系統。