【摘要】 PPMS系统在2-300K温区的创新应用：涵盖超导体临界温度检测、拓扑绝缘体反常热电效应研究，提供微区样品精准测量方案及实验数据对比分析。

实验装置与技术突破

K. Shresthaa团队基于物理特性测量系统(PPMS)构建的低温检测平台（图1a），实现了2-300K宽温域与7T强磁场协同调控下的精准测量。该系统的核心创新在于：

  • 采用双薄膜加热器构建交流热梯度场
  • 适配标准PPMS样品盘实现微型化检测​（支持2mm×0.1mm样品）
  • 自主研发的温控算法保证±0.1K级温度稳定性

图1（a）K0.4Ba0.6Fe2As2 多晶和 Rb0.8Fe2Se2 单晶样品的塞贝克系数的温度依赖性（b）Sb2Te2Se 单晶在 0 T（实心矩形）和 7 T（实心圆形）时塞贝克系数的温度依赖性[1]。

 

典型应用案例分析

超导材料特性研究

在零磁场条件下验证系统可靠性时：

  • ​Rb₀.₈Fe₂Se₂单晶呈现温度依赖的极性反转：210K时S值由正转负
  • ​K₀.₄Ba₀.₆Fe₂As₂多晶全温域保持正塞贝克系数
  • 两种材料分别在31K和38K出现超导转变响应​（与电阻测量结果一致）

 

拓扑绝缘体热电性能

针对Sb₂Te₂Se单晶的测试发现（图1b）：

  • 室温S=35μV/K符合热电材料标准
  • 140K时出现极性反转现象
  • 10K以下呈现低温反常响应

 

技术优势与行业价值

1.​多场景适用：兼容超导体、半导体、拓扑绝缘体等材料体系

2.​高灵敏检测：突破传统TTO选项的尺寸限制，实现微区热电分析

3.数据可靠性：通过NIST标准物质验证，测量误差<3%

4.​操作便捷性：集成自动化控制系统，支持连续变温/变场测试

本研究建立的低温PPMS检测方案已成功应用于：

  • 铁基超导体的配对机制解析
  • 拓扑绝缘体表面态热电响应研究
  • 新型热电材料的性能优化

 

参考文献：[1]Shrestha K, Gooch M, Lorenz B, et al. Experimental Setup of Ac Thermoelectric Power Measurements in a Cryocooler PPMS System and Its Implementation to Superconductors, Topological Insulator, and Thermoelectric Materials[J]. Instruments and Experimental Techniques, 2019, 62: 298-303.

 

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