научная статья по теме ЧЕТЫРЕХЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ, ИМЕЮЩИХ ФОРМУ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА Физика

Текст научной статьи на тему «ЧЕТЫРЕХЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ, ИМЕЮЩИХ ФОРМУ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 122-133

ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА

УДК 621.317.331

ЧЕТЫРЕХЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ, ИМЕЮЩИХ ФОРМУ ПРЯМОУГОЛЬНОГО ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА

© 2015 г. Л. Б. Луганский, В. И. Цебро*

Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, 2 * Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Россия, 119991, Москва, Ленинский просп., 53 E-mail: lugansky@kapitza.ras.ru Поступила в редакцию 01.07.2013 г. После доработки 22.05.2014 г.

Рассмотрена задача об измерении удельного сопротивления изотропных образцов конечных размеров, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда, с помощью четырехзондовой методики. Изучено два варианта расположения контактов: 1) четыре коллинеарных зонда расположены на одной из сторон образца симметрично относительно других сторон и 2) два зонда на одной стороне образца и два на противоположной стороне расположены точно друг против друга и симметрично относительно других сторон образца (метод Шнабеля). Найдено решение задачи о распределении потенциала электрического поля в образце при различных расположениях токовых контактов. Решения получены в виде двойных рядов и представлены способы их суммирования. Полученные результаты распространены на случай измерения удельного сопротивления анизотропных образцов, у которых тензор удельного сопротивления имеет две независимые компоненты. Приведены результаты использования разработанной методики для измерений по методу Шнабеля удельного сопротивления такого сильноанизотропного материала, как высокоориентированный пиролитиче-ский графит.

DOI: 10.7868/S0032816215010206

1. ВВЕДЕНИЕ

Для измерения удельного сопротивления материалов широко используются четырехзондовые методы, суть которых заключается в следующем. На поверхности исследуемого образца размещают четыре точечных контакта и через два из них (токовые контакты) пропускают заданный ток I от внешнего источника, а между двумя оставшимися (потенциальными) контактами измеряют разность потенциалов АУ. Очевидно, что измеряемая разность потенциалов будет пропорциональна величине тока I:

АУ = Ы, (1)

где коэффициент Я, который мы будем называть условным сопротивлением, сложным образом зависит от геометрии образца, мест расположения на нем токовых и потенциальных контактов и, разумеется, от удельного сопротивления материала образца р.

Если исследуемый материал изотропен и доступен в виде длинных проволок или тонких длинных полосок, то задача является тривиальной. Токовые контакты размещают на концах образца, при этом ток по сечению S образца на до-

статочном удалении от его концов распределяется равномерно. Потенциальные контакты устанавливают на достаточном удалении от токовых контактов на заданном расстоянии I друг от друга и измеряют разность потенциалов АУ между ними при заданном токе I. Удельное сопротивление р материала определяется из формулы

Я = АУ/1 = р1/Б.

Эта методика общеизвестна и широко применяется на практике.

В более сложных случаях, когда исследуемый материал представляет собой, например, небольшие кристаллы (экспериментальная физика твердого тела), массивные полупроводниковые пластины кремния и германия (промышленное производство в микроэлектронике), массивные блоки сплавов (металлургия) и др., задача становится значительно более трудной. Для определения р из результатов измерения необходимо теоретически рассчитать вид функции Я в формуле (1) для конкретной геометрии эксперимента. Эта задача довольно сложна, особенно если удельное сопротивление р имеет анизотропный характер. Однако ее можно успешно решить для образцов определенной формы при специальном располо-

жении измерительных электродов на поверхности образца.

Ключевым моментом является решение уравнения Лапласа для потенциала электрического поля и(х, у, z) в исследуемом материале с соответствующими граничными условиями. В случае бесконечного изотропного проводящего полупространства или бесконечной пластины соответствующие решения хорошо известны и их можно найти, например, в [1—4].

На практике обычно бывает, что изучаемые объекты представляют собой образцы небольших размеров, в которых расстояние между измерительными контактами сравнимо с размерами образца. В этом случае изложенные в [1—4] результаты неприменимы, и следует искать решение уравнения Лапласа для образца с конечными размерами. В случае образцов, имеющих форму прямоугольного параллелепипеда, эта задача может быть решена аналитически [5—9]. Ниже мы приведем это решение в виде, более удобном, по нашему мнению, для применения, чем в указанных работах. Дело в том, что решения, получаемые методом разделения переменных, имеют вид двойных рядов, которые, как правило, очень плохо сходятся. Ниже покажем, как следует корректно суммировать такие ряды и получать правильные результаты. Предлагаемая нами методика [10] позволяет рассматривать образцы, все три размера которых имеют конечную величину.

В настоящей работе мы попытаемся подробно рассмотреть теоретические вопросы таких измерений для изотропных веществ с последующим применением полученных результатов для некоторого класса анизотропных материалов. В связи с этим отметим, что в физике твердого тела, например, наибольший интерес в последние годы вызывают именно сильноанизотропные, имеющие слоистую структуру системы, такие как высокотемпературные сверхпроводники, топологические изоляторы на основе халькогенидов висмута, высокоориентированный пиролитический графит и др. Для таких материалов предлагаемая нами методика с использованием четырех точечных контактов является особенно удобной и позволяет получить абсолютные значения продольного (вдоль слоев) и поперечного (поперек слоев) удельного сопротивления и, соответственно, величину его анизотропии.

В работе рассмотрены два варианта расположения контактов: 1) четыре коллинеарных зонда на одной из граней образца; 2) два контакта на одной стороне образца и два — на другой, расположенные точно друг против друга (так называемая геометрия Шнабеля [1, 2]).

■ x(x1)

У^2)

¿(х3)

Рис. 1. Образец конечных размеров в виде прямоугольного параллелепипеда длиной а, шириной Ь, толщиной й и соответствующие направления координатных осей х, у, z (изотропный образец) и х1? х2, Х3 (анизотропный образец). Начало координат находится в центре параллелепипеда.

2. ИЗОТРОПНЫЙ ОБРАЗЕЦ КОНЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ

Рассмотрим изотропный образец в виде прямоугольного параллелепипеда со сторонами а, Ь и толщиной й, а оси координат направим, как показано на рис. 1.

2.1. Два токовых контакта, расположенные симметрично на одной грани образца

Рассмотрим сначала случай, когда точечные токовые контакты расположены на одной грани образца: z = —й/2. Для упрощения задачи с самого начала будем рассматривать практический случай, когда оба токовых электрода размещены симметрично на этой грани (см. рис. 2а), т.е. имеют координаты (±х0, 0, —й/2).

Если пропускать стационарный ток I через контакты А, В, то в образце установится электрическое поле, потенциал которого и(х, у, ¿) удовлетворяет уравнению Лапласа:

А , ч д2 и , д2 и , д2 и А А и (х, у, г) = —2 + —2 + ~ _ 0

дх ду дг

(2)

с граничными условиями:

ди дх

ди д-

х _ ±а /2

_ о д и

_ 0, дУ

у _ ±Ь /2

_ о д и

_ , дг

_ 0,

г _ й/2

(3)

_ -рI[5(х + Хо) - 8(х -Хо)]5(у).

г _ -й/2

Первые три условия в (3) означают отсутствие тока через границы раздела между образцом и окружающим пространством, а последнее условие соответствует точечности контактов, через которые протекает измерительный ток I.

Стандартный метод разделения переменных [3] заключается в том, что решения уравнения (2) ищутся в виде произведения трех функций и(х, у, ¿) = = Х(х)У(у^^), каждая из которых зависит только от одной переменной, при этом функции Х(х),

а

Ь

й

(a) I . Г

Л /d/ / / / ЛУ /D , /в /// /////

(б) I/2 Л I/2 . i

/ / / / / / //^

(в)

I/2\ \ I/2

I/2 I/2 I/2 I/2

It .ti

Рис. 2. Геометрия размещения контактов на гранях образца в форме прямоугольного параллелепипеда в четырехзондовом методе: а — два токовых контакта А, В с входящим и выходящим током величиной I соответственно расположены симметрично на одной грани образца, если потенциальные контакты В, С размещены симметрично токовым на противоположной грани образца, мы имеем так называемую вторую геометрию Шнабеля; б — четыре токовых контакта с входящим и выходящим током величиной 1/2 (как показано стрелками) расположены на противоположных гранях образца; в — четыре токовых контакта с входящим и выходящим током величиной 1/2 (как показано стрелками) расположены на одной грани образца; г — первая геометрия Шнабеля (токовые контакты располагаются в точках А, В, а потенциальные — в точках В, С).

У(у), Z(z) удовлетворяют обыкновенным дифференциальным уравнениям 2-го порядка:

dW(w)

dw2

- cW(w) _ 0 ,

которые в зависимости от величины и знака константы с имеют одно из трех фундаментальных решений: М"^) = С^ + с2, W(w) = А^тА^ + + А2со8А™ или W(w) = + В2в-Ч

Общее решение уравнения Лапласа (2) компонуется из частных решений этого вида. Граничные условия (3), а также соображения симметрии позволяют значительно уменьшить количество допустимых частных решений. В работе [10] показано, что для данной геометрии решение урав-

нения Лапласа (2) с граничными условиями (3) описывается выражением

и (х, у, I) =

_ 8 р Id ^ 6 я ch y ( z - d/2) . ( 2 к + 1) nx,

ab

i

к, n _ 0

Y d sh y d

Б1П-

(4)

. (2к + 1 )nx 2nny x sin---—cos--,

ab где величина Ykn определяется формулой

Yкп _ п

№)2+(2п);

а коэффициент 6„ равен

6n _

1, п ф 0, 1/2, п _ 0.

(5)

(6)

Полученный результат можно сразу применить к измерениям удельного сопротивления р как во 2-й геометрии Шнабеля (рис. 2а), так и в 1-й коллинеарной геометрии, когда токовыми являются крайние контакты А, В, а потенциальными — внутренние контакты В и С, подобно тому, как это для другого случая изображено на рис. 2в. Но это мы сделаем несколько позднее, а сейчас рассмотрим две вспомогательные задачи с четырьмя токовыми контактами.

2.2. Четыре токовых контакта на противоположных гра

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком