霍爾效應測試平臺在材料物理專業(yè)實驗教學中的應用

劉親壯 李浩哲 趙麗 李兵 張永興 劉忠良

【摘? ?要】? ?針對淮北師范大學教育實際情況及材料物理專業(yè)的特點，以素質教育為中心，以培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的高素質人才為目標導向，開發(fā)了一種對材料電學性質進行測量的霍爾效應測試平臺，探討了該平臺在實驗教學中的應用。結果表明該測試平臺提高了實驗教學質量，對培養(yǎng)具備創(chuàng)新能力和創(chuàng)新意識的人才具有一定的推進作用。

【關鍵詞】? ?材料物理專業(yè);霍爾效應;實驗教學

Application of Hall Effect Test Platform in Experimental

Teaching of Material Physics

Liu Qinzhuang， Li Haozhe， Zhao Li ， Li Bing， Zhang Yongxing， Liu Zhongliang

（ Huaibei Normal University， Huaibei 235000， China）

【Abstract】? ? Aiming at the actual situation of Huaibei Normal University and the characteristics of the material physics major， centering on quality education and aiming at cultivating high-quality talents with innovative ability and awareness， the Hall effect test platform for measuring the electrical properties of materials has been studied. The application of the Hall effect test platform in experimental teaching was discussed. The experimental results show that the test platform improves the quality of experimental teaching and has a certain promotion effect on talents who cultivate innovation ability and awareness.

【Key words】? ? ?materials physical specialty; the Hall effect;experiment teaching

〔中圖分類號〕? G642.0? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）01- 0108 - 03

0? ? ?引言

高校是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要陣地，有著非常豐富的教育資源。高校實驗室作為實驗教學、科學研究、技術開發(fā)和學術交流的重要平臺，在培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力方面起到舉足輕重的作用[1-3]。培育具備創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維的高素質人才，是一項復雜的系統(tǒng)工程。完善的實驗教學體系對培養(yǎng)學生動手能力和思維創(chuàng)新，推動培育高素質創(chuàng)新型的人才這一目標導向的形成，具有十分重要的作用[4]?；幢睅煼洞髮W材料物理專業(yè)緊緊圍繞國家戰(zhàn)略以及該行業(yè)的發(fā)展需要，以培養(yǎng)和造就具有較高創(chuàng)新能力和分析能力的高素質人才為教育目標。本文以淮北師范大學教育目標為基準，以相關專業(yè)課程為出發(fā)點，把專業(yè)的理論知識和實驗教學的實踐過程進行結合，探究霍爾效應測試平臺在材料物理專業(yè)實驗教學中的應用。

1? ? ?材料物理專業(yè)理論和實驗教學內容及特點

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標，材料物理專業(yè)的教學內容大體上分為理論教學和實驗教學兩個部分。開設的理論課程為物理學、材料科學、材料化學和材料物理的基本理論和基本知識的系統(tǒng)學習，旨在幫助學生掌握材料物理及其相關的基礎知識、基本原理。例如開設的《材料科學基礎》課程，分章劃節(jié)逐次漸近，從材料的微觀結構梳理到宏觀組織，向學生架構本學科的基本內容與重點延伸;開設的多種課程使學生能夠更加深入地研究和理解其專業(yè)理論知識。開設的實驗課程，涉及到材料的制備、結構表征以及后續(xù)的性能測試等。

在實驗教學中，對于材料進行性能測試時，電學測試成為重要的性能測試。其中，霍爾效應測試是對電學性質進行具體分析，是從微觀角度對材料電學性質進行呈現(xiàn)。學生通過開設的霍爾效應測試平臺實驗課程，對不同材料的電學特性進行測試，不僅可以讓學生加深對材料物理專業(yè)的相關理論理解，還可以根據(jù)測試的結果，對實驗提出問題、分析問題和解決問題。所以，本校材料物理專業(yè)中的霍爾效應測試平臺對培養(yǎng)自主能力和創(chuàng)新意識的人才起了很好的促進作用。

2? ? ?霍爾效應測試平臺的結構和測試功能

2.1? ?平臺的硬件結構和原理

霍爾效應測試平臺的硬件結構和原理如圖1所示。本測試平臺型號為Ecopia-HMS 3000，平臺的主機包括恒電流源以及范德堡法則終端轉換器。該測試平臺的恒電流源采用的電流范圍設置為六級，該設置可以使接收的誤差數(shù)值降到最低，范圍可以控制在1 nA-20 mA。范德堡法則終端轉換器使用非接觸裝置，可以有效地降低儀器噪聲。PCB彈簧測試板可以放置的樣品大小為6 mm×6 mm。磁場強度輸入系統(tǒng)的磁場強度是0.556 T。外接的壓縮制冷機和溫控儀可以用于變溫霍爾效應測試，可以實現(xiàn)在低溫條件下的參數(shù)測量，顯示器用于對測試的電學參數(shù)進行分析。

2.2? ?測試功能

該測試平臺可以對不同樣品進行常溫變溫霍爾效應測試，分析測試樣品的電阻率、遷移率和載流子濃度三者的關系。也可以對同一樣品進行變溫霍爾效應測試，根據(jù)電阻率、遷移率和載流子濃度三者在不同的溫度條件下各自變化趨勢，溫度的變化區(qū)間范圍可以從15 K到300 K。

3? ? ?霍爾效應測試平臺的應用及測試實例

本測試平臺不僅僅可以用在科研工作領域，也可以應用在材料物理專業(yè)實驗教學之中。測試平臺主要有以下兩個方面的應用。

3.1? ?常溫下霍爾效應測試

由于不同材料有不同的結構類型，所以其電學特性的參數(shù)電阻率、遷移率和載流子濃度也會不同。針對材料合成的組分不同，可以通過霍爾效應測試平臺來分析組分不同引起的電阻率、遷移率和載流子濃度的變化規(guī)律。學生可以通過電阻率、遷移率和載流子濃度三者關系的測試分析，更加深入地了解科學研究，從而提高學生自身的動手能力、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維。圖2是平臺測試的分別外延生長在MgO襯底上的（LaxBa1-x）SnO3（x=0.02，0.05，0.07，0.1）薄膜的電阻率、遷移率和載流子濃度三者之間的關系。通過測試圖可以看到遷移率隨著La元素的增加先增大后減小，載流子濃度有著一直增大的變化規(guī)律，電阻率的數(shù)值根據(jù)公式，先有著減小的改變，然后隨著摻雜量的增加，數(shù)值開始增大。從圖2結果可得出，該組分的材料擁有良好的導電性能。

3.2? ?變溫霍爾效應測試

本測試平臺不僅可以在常溫下測量霍爾效應，而且可以在15 K- 300K的溫度范圍內進行霍爾效應的測試。學生可以利用溫控儀對塊體待測樣品進行降溫處理，測量在變溫的條件下參數(shù)載流子濃度、遷移率以及電阻率隨著溫度的變化而變化的趨勢。在進行測試的過程中，學生可以提出問題、分析問題、探討問題和解決并總結問題，從而促進新的知識結構和新型創(chuàng)新能力的形成。圖3給出了外延生長在LaAlO3襯底上的SrVO3薄膜的變溫霍爾效應測試關系圖。從圖中可以看出SrVO3薄膜具有出色的導電性能，在太陽能電池、二極管等眾多領域中擁有很好的應用前景。

4? ? ?結語

材料科學技術的飛速發(fā)展，使得社會對高等院校的人才培養(yǎng)和科學研究提出了更高的要求。如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新型和適應材料發(fā)展領域的高水平人才是當代高等院校一直探討和研究的課題[5-6]?；魻栃獪y試平臺的使用，滿足了本校材料物理專業(yè)學生對材料電學性質的測試，加深了對理論知識的理解，激發(fā)了學生的學習興趣，提高了分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力，在實驗教學中取得了較好的教學效果。

[參考文獻]

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