[发明专利]一种量子电容测量系统及其测量方法

说明书

本发明公开了一种量子电容测量系统及其测量方法。本发明将测量电桥集成在样品台上，尽可能减小寄生电容的影响；在保持电桥的激励信号很小的同时提高测量频率以获得足够的测量精度，降低测量发热和避免影响样品的量子状态；本发明使用了超外差结构和锁相测量方法相结合，利用本地振荡信号混频将电桥输出的高频信号转换为低频信号，再利用低频锁相测量技术测得低频信号的幅度和相位，从而实现对高频小信号幅度和相位的探测；本发明采用能在极低温环境中正常工作的电阻电容桥，并通过超外差降频电路对电阻电容桥产生的高频信号进行放大和降频处理，最终实现对量子电容的精确测量。

技术领域

本发明涉及量子电容测量技术，具体涉及一种量子电容测量系统以及测量方法。

背景技术

电容测量研究载流子在外加电场下的充放电过程，是一种极为实用的表征材料和器件的测量技术。在量子材料研究中，通过检测电容值的微小变化——即量子电容——可以反应载流子费米面的态密度变化。量子电容测量要比常规电容测量困难的多，这是由于：样品体积小，电容值一般小至fF量级；样品一般处于真空、低温或强磁场等测量装置中，与测量仪表距离远，测量的寄生电容远大于待测电容值；当样品处于极低温环境中(一般在～100mK或以下)，测量需要极低的激励。

量子电容测量的首要原则是测量信号不能影响器件本身的量子态。通过对常规量子材料进行估算，可以得知量子电容的一般测量条件。假设一块用于量子输运测量的GaAs二维电子气样品的面积为A＝(100μm)²，电子密度为n＝10¹¹cm^-2，介电层厚度为d＝500nm。其携带的电荷量为Q＝Ane＝1.6×10^-12C，其中e为电子电荷量。由于测量信号在每个周期内所引起的电荷变化量ΔQ要远远小于Q，所以一般要求ΔQ＜0.01Q＝1.6×10^-15C。同时，因为测量频率ω＝I_in/ΔQ，其中I_in为激励电流，常规测量要求I～10nA量级以上才能更便于后续测量信号的提取和放大，所以测量频率必须在MHz量级以上才能满足要求。

该样品的几何电容值为其中ε_r＝13为GaAs介电层的相对介电常数，ε₀为真空介电常数，待测电容C_DUT满足其中C_Q为待测样品的量子电容值，量级通常为的0.01。所以量子电容的测量不仅需要测量到极小电容值，而且测量精度需要远大于1％。

此外，由于待测样品处于低温设备中，依靠数米长的连接线与处于室温端的测量仪器连接，连接线有～200pF的寄生电容存在，远大于待测电容C_DUT，所以传统的电容测量仪器并不能直接对待测样品的电容进行直接测量。

目前，对低温下的量子电容测量的主要方法是将前级放大器直接放在电容桥附近，减少线缆电容的影响，并达到耦合、输送输出电压的目的。但是由于前级放大器功耗过高，目前已知的工作温度最低为50mK。但一些量子态的出现往往需要更低的温度，例如5/2分数量子霍尔效应，所以这些测量方法对于更低温度才能出现的量子电容有较强的局限性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种量子电容测量方法以及相应的测量系统。该方法采用平衡电桥和超外差解调的信号测量方法实现对量子电容的测量。

为了尽可能减小寄生电容的影响，本发明将测量电桥集成在样品台上；为了降低测量发热和避免影响样品的量子状态，在保持电桥的激励信号很小的同时提高测量频率以获得足够的测量精度；为了实现对高频小信号的电桥输出信号的精确测量，本发明使用了超外差结构和锁相测量方法相结合，利用本振信号混频将电桥输出的高频信号转换为低频信号，再利用低频锁相测量技术测得低频信号的幅度和相位，从而实现对高频小信号幅度和相位的探测。

本发明的一个目的在于提出一种量子电容测量系统。