四端输运:为什么测电阻要接四根线?
从微小样品的一端送入电流,从另一端引出,再用一对独立的电极测量样品内部两点间的电压。这样就能选定要测的那一段材料,减少电流引线和接触处压降对读数的影响。
分开送电流和测电压的路径
设想在狭长样品上依次放置 1、2、3、4 四个电极。让电流从 1 流向 4,同时测量 2 相对于 3 的电压。由于电压表的输入阻抗很高,流进电压表的电流很小,电压引线上的压降也很小。在欧姆响应区,2 和 3 之间的电压与施加电流之比给出这段样品的电阻。
把电流反过来,再量一次
微伏级测量中,接点间微小的温差就可能产生额外电压。保持电压表的接线方向,先通入 +I,再通入大小相等的 −I。如果两次读数间温差带来的偏置保持稳定,电阻产生的电压会反号,而偏置会在两次电压相减时抵消。
例如,+1 μA 时读到 +12 μV,−1 μA 时读到 −8 μV。这组示例读数包含 +2 μV 的稳定偏置;取电压差的一半,得到 10 μV,对应电阻 10 Ω。
从电阻到电阻率,还需要几何尺寸
在零磁场下,对横截面均匀且电流沿长度方向均匀流动的长条样品,电阻率为 ρ = R₄A/L,其中 A 是横截面积,L 是两个电压电极间的距离。薄片形状或电极位置改变时,需要用适合该几何形状的换算。减小激励电流再复测,也有助于发现焦耳热是否正在改变样品温度。
测量示意与公式
R₄ = [V(+I) − V(−I)] / (2I)
I 为正的电流幅值(A),V 为固定方向的电压读数(V)。这个式子适用于电压与电流成正比、测量条件稳定的情况,得到的 R₄ 单位是 Ω。
读论文图 2:为什么除以 250 K 时的电阻?
少层 MoTe₂ 研究的图 2a 把不同厚度样品的电阻分别除以其自身在 250 K 时的电阻,再比较降温过程。每条曲线在 250 K 都等于 1,这样能直观看到相对变化。若想知道某个样品的实际电阻是多少欧姆,还需要它在 250 K 时的电阻值。
查看这项实验的原始论文 ↗相关研究论文
- Giant enhancement of superconductivity in few layers MoTe₂Chinese Physics B · 2019