如何用锁相放大器表征磁性材料
July 15, 2021 by Jelena Trbovic
相关产品：MFLI
在本次网络研讨会中，我们介绍了两种基本的磁性表征技术，即振动样品磁强计（VSM）和交流磁化率，其中锁定放大器是测量和检测链的重要组成部分。我们与Yury Bugoslavsky合作，他在Cryogenic Ltd管理VSM产品，因为MFLI锁相放大器在提高该系统性能方面发挥着重要作用。在这篇博客文章中，我们对网络研讨会期间讨论的内容进行了概括，并涵盖了我们收到的一些问题的答案。
苏黎世仪器（Zurich Instruments）的锁相放大器具有各种频率范围和PID、PLL控制和多频率功能，在许多尖端磁化测量和传感应用中发挥着重要作用：高频交流磁化率、NEMS传感、纳米机械交流电纳计和时间分辨磁光学，仅举几个例子。我们认为，在本次网络研讨会中，我们应该涵盖使用VSM和AC磁化率的基本磁化表征技术，并为未来的工作奠定坚实的基础。
锁相放大器是测量技术的重要组成部分：一方面，锁相放大器提供的调制是在最佳噪声环境中进行测量的一种方式，也为利用与测量相关的物理现象提供了场地，即使用感应线圈中测得的电压的法拉第低感应。这是VSM测量原理的基础，如图1所示。VSM非常适合测量块状材料、薄膜和磁化强度在μemu量级且高于μemu的材料的磁化强度。测量可以在几至1000开尔文以上的温度范围内进行。
图1：在均匀磁场中磁化的周期性振荡样品产生的VSM拾取线圈中感应电压的MFLI差分测量。VSM的振动频率由锁定放大器提供，信号以相同频率解调。
使用低温VSM磁力仪，您可以测量磁化的温度依赖性以及在固定温度下的磁化行为，其中对于铁磁材料，磁滞回线揭示了磁化饱和、矫顽场和各向异性的信息。样品放置在拾取线圈配置的中心。
图2：左边的曲线显示了Fe和Ni样品的温度扫描，温度突变显示了它们的居里温度。室温磁滞曲线是铁磁材料表征的典型示例。
此外，VSM系统在无接触模式下表征超导材料方面特别强大，无需连接导线即可测量高临界电流。
图3：使用低温VSM表征的I型和II型超导体。
作为VSM磁强计的补充，交流电纳计测量交流磁化率或样品对外部磁场的响应能力。由于磁化率是磁化曲线在某一场（线性区域）的导数，测量磁化率可以更好地区分不同的材料类型，并具有更清晰的过渡曲线。该方法用于研究磁相变、超导相变、磁损耗和自旋玻璃。图4描述了一个随时间变化的外部场和位于其中一个拾取线圈中心的样本的测量几何结构。
图4：电纳计具有两个相对于初级线圈对称定位的拾取线圈。一个线圈包含样本:
图5：钛盘的敏感度测量，由低温有限公司提供。振幅和相位均包含有关磁场响应和损耗的物理信息。
在上面的图表中，钛的超导开始表现为当它变成反磁性时，从接近零到负值的突然变化。相位峰值中显示的损耗是由于场穿透深度的变化，并且在接近Tc时最为突出。字段相关性如图5（右面板）所示。通过振幅和相位测量的互补信息只能使用锁定放大器访问。
特别是，MFLI的优点是，您可以通过以下方式更快地实现更好的测量：
提高速度和灵敏度。
更换多件设备。
具有较高的分辨率、精度和信噪比。
长期稳定性。
