增加对题目文章的评价:昨天关于知乎回答质量下降的讨论里,有不少答主指出,部分能输出高质量回答的答主过于清高,不屑于下场利用流量。有人拿一个错误的东西出来的时候,有时间的话,最好还是拿出真东西以正视听。
我本不算评价文章太多,但是洗老师还在坚持他是为了提升公众科学素养和让大家分蛋糕,我这里还是得反驳一下。
题目文章里电阻-温度关系的错误,在苏哲老师那里解释完了。磁阻和霍尔方面,所谓的线性磁阻在粉末状样品里面不奇怪,所谓的纵向偶对称电阻,无非是磁阻分量而已。跟超导一点关系都没有。文章中提到无法用非对称电极解释,是基于样品均匀,电极等效接触点已知的前提的出的,不幸的是,这两点在器件上面完全满足不了,甚至偏离得很远。
另外,磁学部分说临界场只有几十几百高斯,但是磁阻和霍尔部分讨论的是上T的磁场范围,比磁学部分高了几个数量级。整篇文章自洽性和逻辑性都很差,完全不像经过科研训练的人整理出来的东西。作者声称文章严谨,无懈可击,可能不懂英语不懂翻译的非常粗心投资人才能相信。小作文写得再多,再长,给小作文点赞的人再多,都没法解决这些客观存在的问题。
增加:参考评论区增加考虑热效应的建议。我时常警告自己:不要在“我都懂”的假设下开展研究。
增加:图2中讨论AD电压的时候,考虑的是“磁阻为主体,混进去了部分霍尔”。有一种情况是C点往左右偏移了,测AC的时候能发现零场下非零霍尔电压。这个电压在商业霍尔器件里面通常称为“不等位电势”,可以理解为“霍尔为主体,混进去了部分磁阻信号”。
上面“主体”这个词表示的是这对电极原来想测的是什么,并不代表哪个信号比较大。不同材料载流子浓度差几个数量级很正常,磁阻变化范围要小很多,但是也可能相差一两个数量级甚至以上。如果材料载流子浓度超高,霍尔信号很小,即使是AC(C点往左右偏一点)这对电极,磁阻信号也可以比霍尔信号小。如果载流子浓度超低,样品没什么散射,那么AD点间霍尔信号比磁阻信号大也没什么奇怪的。
原文:
先叠个甲,我不认为该文章中存在修改数据,或者故意捏造数据等主观不端行为,各位粉丝想要给我戴帽子的话都直接拉黑。也不用@导派的任何人,我这里不包含对文章的任何评价。
反正以后有时间了,都想做些实验技术的科普,现在就先写点霍尔测量方面的东西。我以前认为很多东西是自明的,不需太多解释的。工作那么多年,发现还真不是。霍尔测量就是其中一个,原理简单,但是太容易出错了。
下面的内容只是我抽时间写出来的,也花了近两个小时,如有错漏,欢迎指正,但我不一定有时间改。以后肯定会重写,但八成不会再用这个账号。毕竟我也怕飞的呢。
霍尔效应是什么,直接搜就行:https://en.wikipedia.org/wiki/Hall_effect, 霍尔效应。
百度百科其实也能解释个大概,但是不如维基全面。简单来说,就是导体中通过电流,并且施加一个垂直于电流的磁场,电子会在洛伦茨力作用下偏转并且聚集在样品边缘,从而产生霍尔电场。 R_H = 1/n_{2d}e 。但是这个描述隐藏了不少条件:
这是个二维效应。
洛伦茨力垂直于电流和磁场形成的平面,不考虑散射的时候,电子的回旋运动也只能在一个二维面内运动。 n_{2d} 是二维载流子浓度。对于有限厚度的样品,如果在厚度方向是均匀的话,并且厚度d远小于长和宽的时候,d可以直接作为一个常数放到载流子浓度里面去: n_{2d}=n_{3d}\times d 。如果样品太厚,甚至整个样品是棒状的时候,厚度方向的不均匀性会使得霍尔电场在厚度方向不均匀,载流子浓度就测不准。
样品是均匀的
均匀指的是电流能平行地流过样品,选取样品上面的两个点,电流线的长度等于这两个点在电流方向的投影:

当电流均匀通过样品的时候,电流平行于样品方向,样品电阻产生的电场等势线垂直于电流方向,所以也垂直于样品长度。加上面外场之后,形成的霍尔电场平行于样品两边,样品是矩形的话,霍尔电场等势线平行于电流方向。总电场看起来就大概长这样:

这时候,如果测量AB间的电压,由于AB两点跨过了磁阻等势线,所以能测到磁阻。由于AB在同一根霍尔电场等势线上,霍尔电压为零。所以 V_{AB} 反映的是磁阻。同理 V_{AC} (先不管符号)测到的是霍尔电压。而如果测AD间的电压,AD同时跨越了两种等势线,测到的就是磁阻和霍尔的混合。好在 V_{MR}(B)=V_{MR}(-B) 是偶函数, V_{Hall}(-B)=-V_{Hall}(B) 是奇函数,通过改变磁场方向,很容易从混合信号 V_{MR}+V_{Hall} 中把两者分离出来。
如果样品不均匀呢?
这时候就很复杂。如果样品仅仅是各向异性,但是样品仍旧能用电导矩阵来描述,那么还能测。但是在计算磁阻和霍尔的时候得用电导矩阵来描述,而不是百科上面那个简单公式。这里就不讨论。
另外一种不均匀是样品在同一个方向上电阻都不均匀,比如说:

左边是样品形状均匀但是电阻分布不均匀。这时候电流不再平行,选取两个点来测量电阻的时候,这两个点间电流线长度和几何长度不一致,这时候计算电阻率就不准。右边是样品电阻分布均匀但是形状不是长方形,那么霍尔电场分布也不均匀。如果测量点都在样品边上就没事,比如说ABC。但是D点的话,就不容易精确计算载流子浓度。
下面这个极端情况:

这时候你都不知道各个点间的电流长度,定量计算就无从谈起。如果样品是粉末状,电流分布随机,ABD点的等效位置也无法确定,那么定量分析毫无意义。
电极怎么点?
另外一种不均匀性是电极引起的。我们做电极的时候,经常用银胶,或者其他导电性良好的金属做电极,大部分时候电极电导率大于样品电导率。那么在电极区域,部分电流会从电极上面走。上面图中红点都比较小,表示电极区域比较小,那么电极分走的电流对整个样品电场分布可以忽略不计。如果是下面这种情况:

电极附近的电场也会乱七八糟的,同时各个电极的等效触点也无法确定,定量分析也不会准确。
所以要做好霍尔测量,下面是一些经验:
- 要学会用无形的眼睛去看到电流和热流,多画画。
- 样品最好是单晶,或者是均匀样品。多晶可以做一些定性表征,但不能定量分析,分析模型也不能用单晶模型。粉末样品做霍尔测量意义不大。
- 如果样品够长,可以通过做多组电压电极,比较样品电阻分布来确定样品是否均匀。
- 样品形状尽量接近扁平的长方形。长宽比尽量在3以上。电压电极围成的矩形长宽比尽量在1以上。
- 源电极和漏电极横跨整个样品,尽量避免点源或者点漏,产生图3或者图4那种电流分布
- 电流电极和电压电极距离足够远,尽量选取电流已经平行的区域来测电压
- 电极和样品的接触面积尽量小,避免电极影响电场分布
- 如果是低温或者变温实验,应该保证在做电学测试的时候,样品和环境有良好的热接触。在做热学测试的时候,低温端和环境有良好的热接触。
下面是我十来年前做的一个器件,金线直径25u,样品长四五百微米,宽两百多。
