Розділ 2
Методика і техніка експерименту
Як уже зазначалося, за основні методи досліджень у роботі використовувалися виміри гальваномагнітних ефектів у широкому діапазоні температур. Під гальваномагнітними ефектами мається на увазі вивчення проявів впливу магнітного поля Н на провідність твердих тіл. Вказаний вплив виникає у провідних системах (метали, напівпровідники) завдяки силі Лоренца, котра при введенні магнітного поля відхиляє носії струму від напрямку прикладеного електричного поля. Це призводить до залежності питомого опору провідника ? від Н (магнетоопір) і ефекту Холлу (виникненню електричного поля Холла, ортогонального магнітному полю і густині електричного струму, яке компенсує дію сили Лоренца).
2.1. Проведення низькотемпературних гальваномагнітних досліджень
Для проведення гальваномагнітних досліджень застосовувалось декілька установок, які давали можливість проводити дослідження в широкому діапазоні температур (4.2 К < T < 300 K) та магнітних полів (0 < H < 6 Tл) у поєднанні з різними впливами на зразки, такими, як дія ультразвукових коливань і освітлення різної інтенсивності. У використовуваних установках застосовувалися як електро-, так і постійні магніти, які давали можливість досліджувати обрані зразки при досить високих магнітних полях (до 2 Тл) при температурах вище ніж ті при яких можна було користуватися надпровідним соленоїдом (77 К < T < 300 K) і з можливістю освітлення. Застосовувались кріогенні системи, що включали надпровідні магніти, які давали змогу поєднувати вплив магнітного поля і освітлення при гелієвих температурах.
Співставлення результатів вимірювань одних і тих самих зразків на різних установках при однакових параметрах впливу на зразки, давало змогу мінімізувати можливі помилки досліджень.
Кріогенна система для магнітопольових вимірів у області гелієвих температур була створена на основі промислового кріостату типу КГ-100. Необхідні магнітні поля (0- 6 Тл) досягалися за допомогою надпровідного соленоїда, для виготовлення якого був використаний стабілізований дріт сплаву NbTі із коефіцієнтом заповнення 0.5 і діаметром 0.3 мм. Параметри соленоїда такі: зовнішній діаметр 100 мм, внутрішній - 30 мм, висота - 120 мм, критичний струм до - 30.8 А, критичне поле - 68 кЕ. Постійна соленоїда визначалась за вимірами магнітного поля методом ядерного магнітного резонансу, цим же методом було встановлено, що неоднорідність поля в сфері радіусом 2 см навколо геометричного центру соленоїда не перевищує 0.01%. Живлення соленоїда здійснювалося від стабілізатора струму типу П-138, який забезпечує стабільність струму не гірше 0.02%. Величина магнітного поля контролювалася вимірюванням струму цифровим вольтметром В7-21 із відповідним шунтом, напруга на соленоїді при введенні і виведенні поля контролювалося вольтметром Щ-1312.
Для забезпечення стабільності струму через зразок при низькотемпературних вимірах був сконструйований стабілізатор струму на польових транзисторах за схемою двокаскадного токостабілізуючого двополюсника. Усього було виготовлено шість подібних стабілізаторів, завдяки чому був перекритий діапазон струмів від 10-7 до 10-3 А включно. Довготривала стабільність струму була не гірше 0.01%, а зміна струму стабілізації при зміні опору зразка від 0 до максимально можливого не перевищувала 0.015 %.
Вимір падіння напруги на зондах, так само як і ЕРС Холлу виконувалися цифровим вольтметром ЩЗ-00 з достатньо великим вхідним опором. При дослідженні магнітопольових і температурних залежностей у ряді випадків виявилося можливим застосувати для реєстрації сигналу двокоординатний графопобудовувач типу Н-З06, що має високу чутливість і низький вхідний опір. Для виключення паразитних і термо-ЕРС, а також ЕРС нееквіпотенційності усі гальваномагнітні виміри проводилися для двох зустрічних напрямків струму і двох протилежних напрямків магнітного поля.
Для забезпечення можливості підтримки адіабатичного режиму зразків відносно ванни з рідким гелієм при різних температурах вимірів був сконструйований антикріостат, у якому при допомозі адсорбційного насоса, що знаходиться поза системою, створювався необхідний вакуум. На дні зовнішньої труби антикріостату знаходилася деяка кількість адсорбента, який при охолодженні системи відігравав роль внутрішнього адсорбційного насоса, який охолоджувався рідким гелієм. Це забезпечувало робочий вакуум у системі порядку 10-7 мм. рт. ст. У процесі роботи вакуум контролювався іонізаційним вакуумметром. З метою зменшення потоку тепла за рахунок випромінення у просторі між внутрішньою і зовнішньою трубами антикріостата знаходився охолоджуваний через тепловий контакт коаксіальний мідний екран.
Для зниження температури до 1.6 К проводилася відкачка парів гелію з робочої порожнини механічним форвакуумним насосом типу P-5Д через сильфонну трубу діаметром 25 мм і довжиною не більш метра.
Для температурних вимірів у області гелієвих температур використовувались германієві термометри типу КГГ, сконструйовані в СКТБ Інституту фізики напівпровідників НАН України. Ці термометри мають добру відтворюваність градуювання, високу чутливість в області низьких температур (абсолютна похибка не перевищує ?0.005 К), мінімальну чутливість (у порівнянні з термометрами інших типів ) до магнітного поля. Похибка у вимірі температури, що вносить магнітне поле до 60 кЕ, не перевищує 0.02К [74]. Зазначену похибку можна істотно зменшити (до величини Т0,003 К) введенням поправки:
(H, T) = exp (1 H2/T2) +2 th(3 H) ln (4 T),
де і - експериментально визначені для кожного конкретного термометра коефіцієнти. Вимір опору термометрів проводився за чотиризондовою схемою цифровим вольтметром В7-23.
У деяких випадках (переважно для виміру зразків нестандартних розмірів) виміри магнітопольових залежностей при кімнатній і азотній температурах робилися методом Ван дер Пау в резистивному електромагніті (Н 0 ? 7 кЕ) поле якого градуювалося по струму через обмотку електромагніту