伏安（Voltage-Current，I-V）特性测量是电子工程、物理等领域广泛应用的重要实验手段，其描述了测量对象在不同电压和电流条件下的工作特性。从物理学角度来看，线性的I-V曲线对应于常规的能带结构，可以用经典的玻尔兹曼输运理论解释，而在某些超晶格和异质结中，其特殊的能带结构导致非线性的I-V曲线。因此，开展I-V测量能够更加透彻理解体系的能带结构。然而，当前的I-V测量仅在稳态磁场下实现，其测试场强受到极大限制。平顶脉冲强磁场兼具场强高和磁场稳定的优点，可作为一种突破稳态磁场进行强磁场I-V测量的极佳环境。因此，亟待研制平顶脉冲强磁场伏安特性测量系统。
为获得高场强、高稳定度的磁场环境，本项目基于50 T脉冲磁体，提出了一种两级联合调控的平顶脉冲强磁场产生方案，如图1a所示。第一级通过精确配置放电参数，采用双电容器回路耦合放电的开环控制策略，在脉冲磁体上产生初步的平顶场，第二级则借助优化去耦的补偿磁体与高带宽补偿电流源，通过对磁场的闭环反馈控制，实现高精度的平顶场。本项目搭建了一套平顶脉冲强磁场装置并开展了实验测量，成功产生了最高场强达50.3 T、稳定度优于0.004%、持续时间为10 ms的高稳定平顶脉冲强磁场，如图1b所示。
图1 两级联合调控平顶脉冲强磁场
在此基础上，为了开展I-V特性测量，本项目研制了一套高速I-V测量装置，其结构框图如图2a所示。该装置组成包括任意波形发生器、示波器、镇流电阻器、分流器以及低噪声前置放大器等。图2b展示了该I-V测量装置的实物图。该装置的电流测量范围覆盖0~100 mA，电压测量范围达0~15 V，整体测量精度优于1%，能够满足目标样品的I-V特性测量需求。伏安特性测量方法方面，为了实现快速测量的目的，本项目提出一种改进的连续电流测试方法，其电流持续时间经脉冲电流法优化，有效抑制了瞬态响应和焦耳热效应的影响。基于该方案，我们实现了对电荷密度波态材料进行了最高50T平顶磁场下的IV测量，揭示了其在强磁场下的非线性输运行为，特别是大于40T时出现的负微分电阻行为。
图2 伏安特性测量装置
图 3 准一维电荷密度波态材料在50 T平顶下的非线性IV曲线
本项目得到了学校仪器设备开放共享基金的支持，所研发的平顶脉冲强磁场伏安特性测量装置可实现对单晶样品、异质结、超晶格等体系的I-V曲线表征，探索强磁场下可能出现的新型量子物态，同时验证电子器件在强磁场极端条件下的服役性能。该项目丰富了脉冲强磁场的科学测试范围，将用于脉冲强磁场实验装置开放共享，提升装置的开放共享水平。
单位：电气与电子工程学院
撰稿：施江涛
审核：吕以亮
