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(xué)教育實(shí)際情況及材料物理專業(yè)的特點(diǎn)，以素質(zhì)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(zhì)人才為目標(biāo)導(dǎo)向，開發(fā)了一種對材料電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測量的霍爾效應(yīng)測試平臺，探討了該平臺在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)果表明該測試平臺提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)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(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】? ?材料物理專業(yè);霍爾效應(yīng);實(shí)驗(yàn)教學(xué)

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(xiàn)標(biāo)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(shí)驗(yàn)室作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)和學(xué)術(shù)交流的重要平臺，在培養(yǎng)學(xué)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(zhì)人才，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系對培養(yǎng)學(xué)生動手能力和思維創(chuàng)新，推動培育高素質(zhì)創(chuàng)新型的人才這一目標(biāo)導(dǎo)向的形成，具有十分重要的作用[4]?；幢睅煼洞髮W(xué)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(zhì)人才為教育目標(biāo)。本文以淮北師范大學(xué)教育目標(biāo)為基準(zhǔn)，以相關(guān)專業(yè)課程為出發(fā)點(diǎn)，把專業(yè)的理論知識和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐過程進(jìn)行結(jié)合，探究霍爾效應(yīng)測試平臺在材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1? ? ?材料物理專業(yè)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)

根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，材料物理專業(yè)的教學(xué)內(nèi)容大體上分為理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)兩個(gè)部分。開設(shè)的理論課程為物理學(xué)、材料科學(xué)、材料化學(xué)和材料物理的基本理論和基本知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，旨在幫助學(xué)生掌握材料物理及其相關(guān)的基礎(chǔ)知識、基本原理。例如開設(shè)的《材料科學(xué)基礎(chǔ)》課程，分章劃節(jié)逐次漸近，從材料的微觀結(jié)構(gòu)梳理到宏觀組織，向?qū)W生架構(gòu)本學(xué)科的基本內(nèi)容與重點(diǎn)延伸;開設(shè)的多種課程使學(xué)生能夠更加深入地研究和理解其專業(yè)理論知識。開設(shè)的實(shí)驗(yàn)課程，涉及到材料的制備、結(jié)構(gòu)表征以及后續(xù)的性能測試等。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對于材料進(jìn)行性能測試時(shí)，電學(xué)測試成為重要的性能測試。其中，霍爾效應(yīng)測試是對電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行具體分析，是從微觀角度對材料電學(xué)性質(zhì)進(jìn)行呈現(xiàn)。學(xué)生通過開設(shè)的霍爾效應(yīng)測試平臺實(shí)驗(yàn)課程，對不同材料的電學(xué)特性進(jìn)行測試，不僅可以讓學(xué)生加深對材料物理專業(yè)的相關(guān)理論理解，還可以根據(jù)測試的結(jié)果，對實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(jìn)作用。

2? ? ?霍爾效應(yīng)測試平臺的結(jié)構(gòu)和測試功能

2.1? ?平臺的硬件結(jié)構(gòu)和原理

霍爾效應(yīng)測試平臺的硬件結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。本測試平臺型號為Ecopia-HMS 3000，平臺的主機(jī)包括恒電流源以及范德堡法則終端轉(zhuǎn)換器。該測試平臺的恒電流源采用的電流范圍設(shè)置為六級，該設(shè)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(zhuǎn)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(qiáng)度輸入系統(tǒng)的磁場強(qiáng)度是0.556 T。外接的壓縮制冷機(jī)和溫控儀可以用于變溫霍爾效應(yīng)測試，可以實(shí)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(xué)參數(shù)進(jìn)行分析。

2.2? ?測試功能

該測試平臺可以對不同樣品進(jìn)行常溫變溫霍爾效應(yīng)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(guān)系。也可以對同一樣品進(jìn)行變溫霍爾效應(yīng)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(yīng)測試平臺的應(yīng)用及測試實(shí)例

本測試平臺不僅僅可以用在科研工作領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在材料物理專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中。測試平臺主要有以下兩個(gè)方面的應(yīng)用。

3.1? ?常溫下霍爾效應(yīng)測試

由于不同材料有不同的結(jié)構(gòu)類型，所以其電學(xué)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(yīng)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(xué)生可以通過電阻率、遷移率和載流子濃度三者關(guān)系的測試分析，更加深入地了解科學(xué)研究，從而提高學(xué)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(guān)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(jié)果可得出，該組分的材料擁有良好的導(dǎo)電性能。

3.2? ?變溫霍爾效應(yīng)測試

本測試平臺不僅可以在常溫下測量霍爾效應(yīng)，而且可以在15 K- 300K的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行霍爾效應(yīng)的測試。學(xué)生可以利用溫控儀對塊體待測樣品進(jìn)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(jìn)行測試的過程中，學(xué)生可以提出問題、分析問題、探討問題和解決并總結(jié)問題，從而促進(jìn)新的知識結(jié)構(gòu)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(yīng)測試關(guān)系圖。從圖中可以看出SrVO3薄膜具有出色的導(dǎo)電性能，在太陽能電池、二極管等眾多領(lǐng)域中擁有很好的應(yīng)用前景。

4? ? ?結(jié)語

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

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