4.1.1 Sistemi criogenici
Durante il lavoro sono state effettuate misure elettriche nell’intervallo di temperature che va da 300K fino a 380mK; i sistemi criogenici utilizzati sono diversi. Nell’intervallo (15K- 300K) sono state effettuate misure elettriche in continua di effetto Hall classico; il sistema di misura e alcuni dei risultati sono stati presentati nel cap.2. Le misure a temperatura fissa di 4.2K sono state effettuate per immersione del campione in un dewar contenete elio liquido.
Infine, per le misure a 380mK è stato utilizzato un refrigeratore a 3He.
Il sistema a 4.2K è un discendente che viene immerso nell’elio liquido; il discendente è costituito da una piastra di fissaggio per il campione posta all’estremità di un asta metallica cava, al cui interno passano i cavi per i collegamenti elettrici. Questi confluiscono all’altra estremità dell’asta, dove terminano mediante connettori BNC.
La parte terminale, dove viene posto il campione, è coperta da uno schermo metallico che permette l’ingresso dell’elio liquido durante l’immersione.
Il sistema a 380 mK è un criostato Heliox della Oxford Instruments. Il principio di
raffreddamento si basa sulla condensazione dell’3He; il criostato è illustrato in fig.4.1. Il
sistema deve essere posto all’interno del dewar di elio liquido, ma è costruito in modo che
3He e 4He siano in circuiti separati. La condensazione viene realizzata ponendo l’3He in
contatto termico con un punto a 1K (“1K pot”), e pompando l’elio condensato per consentire l’abbassamento della temperatura; il processo avviene all’interno di un circuito chiuso,
contenete l’3He e la criopompa di adsorbimento (“sorb”). Il campione viene montato
all’interno di un contenitore vuoto (IVC, Inner Vacuum Chamber) su un dito freddo a contatto termico con il contenitore dell’elio condensato. Maggiori dettagli sui componenti del criostato sono riportati in fig.4.1. Il criostato Heliox raggiunge la temperatura di 380mK; il ciclo di raffreddamento ha una durata di circa 5 ore, dopodiché la procedura di condensazione va fatta da capo. Tra un ciclo e l’altro, il campione resta ad una temperatura al di sotto di 6K.
(1) IVC (2) Sorb
(3) Exchanger: disaccoppia termicamente criopompa e 1k pot (4) Valvola di pompaggio su 1k Pot (5) 1k pot: contiene 4He liquido (6) 3
He pot: contenitore 3He liquido (7) Holder campione
(a) (b)
Figura 4.1: (a) illustrazione del criostato Heliox; (b) schematizzazione del circuito di raffreddamento del criostato.
4.1.2 Misure in tensione continua
La caratterizzazione elettrica preliminare dei dispositivi è stata effettuata in continua; le misure di trasporto sulle barre di Hall sono già state illustrate nel capitolo 2. Sui dispositivi mesoscopici le caratteristiche in continua sono state effettuate per misurare le correnti di perdita dei gate, e per la misura della conducibilità del materiale utilizzando una configurazione a 4 terminali.
In fig.4.2 sono illustrati gli schemi di misura adottati; gli strumenti utilizzati sono:
• generatore Keithley 4200 SCS (Semiconductor Characterization System) per la
tensione di gate, in grado di erogare tensione nell’intervallo ±210V con un passo che va da 5mV a 5µV in funzione del valore di tensione impostato.
• elettrometro Keithley 617 per la misura della corrente, uno strumento in grado di
leggere correnti fino a 10-13A.
• multimetro Agilent 344010A per la misura della tensione, avente risoluzione di
1mV.
(a) (b)
Figura 4.2: Schematizzazione del circuito DC adottato per le caratterizzazioni preliminari dei dispositvi mesoscopici.(a) per la misura delle correnti di perdita dei gate; (b) per la determinazione della conducibilità della regione attiva, attraverso una misura a 4 terminali
4.1.3 Misure differenziali mediante la tecnica lock-in
Per ottenere la conduttanza differenziale dei dispostivi si utilizza la stessa configurazione
circuitale a 4 punte riportata in fig4.2(b). Alla tensione continua Vapp si somma un segnale
sinusoidale di opportuna ampiezza e frequenza, mentre la risposta del dispositivo viene misurata utilizzando la tecnica lock-in; grazie ad essa, è possibile misurare la risposta del dispositivo alla stessa frequenza e fase dell’eccitazione sinusoidale in ingresso, eliminando quindi le componenti di rumore a frequenza diversa da quella impostata. Grazie alla configurazione a quattro terminali, la tecnica lock-in consente anche di evidenziare eventuali strutture non lineari nella risposta elettrica; infatti, la risposta locale a piccole sollecitazioni si può ottenere misurando contemporaneamente l’ampiezza della corrente e della tensione ai capi della regione attiva (Vmis = V+ - V-) Questa configurazione richiede l’impiego di due amplificatori lock-in. Lo schema circuitale adottato per le misure descritte è riportato in fig.4.3. Sono stati utilizzati gli amplificatori lock-in della SRS (Stanford Research Systems) SR 530 per la misura della tensione, e SR 830 per la corrente; quest’ultimo è stato utilizzato anche come generatore dell’eccitazione sovrapposta al segnale continuo, fornito da un
Per la determinazione della conduttanza in condizioni vicine all’equilibrio il segnale
continuo applicato dovrebbe essere nominalmente nullo (VSD=0); questo aspetto, oltre alla
scelta dei segnali utilizzati durante le varie caratterizzazioni, sarà chiarito in seguito. Infine, gli amplificatori dei segnali in uscita di tensione e corrente sono stati inseriti per consentire una determinazione più accurata della conduttanza nell’intervallo di interesse: G dell’ordine
di e2/h = 3.875*10-5
Ω-1.
Figura 4.3: Schematizzazione del circuito adottato per la misura della conduttanza differenziale utilizzando la tecnica lock-in; lo schema riportato si riferisce al caso di un SET con 4 gate, in cui sono polarizzati contemporaneamente il plunger gate e il G1. Le altre 2 uscite del generatore “Keithley4200” (SMU1 e SMU2) sono utilizzate per polarizzare gli altri elettrodi, durante le misure che prevedono più gate. Sia il segnale di tensione, che il segnale di corrente vengono amplificati prima di essere mandati ai lock-in