Messungen an zweidimensionalen Materialien stellen aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften eine besondere Herausforderung dar. Vor allem die hohe Kontaktresistenz, kann zu unerwarteten Artefakten in der Messung führen. Obwohl Messungen mit Vier-Punkt-Anordnung den Einfluss des Kontaktwiderstandes minimieren, misst das Voltmeter zusätzlich zu der erwarteten Spannung eine „Artefakt-Spannung“ (Differentialsignal). Dieser Fehlerterm ist nicht abhängig von der Common-Mode-Rejektion-Ratio (CMRR) des Verstärkers. Da es sich um einen in-Phase-Effekt handelt, ist dieser Artefakt auch noch schwer zu erkennen. Ursachen sind parasitäre Kapazitäten und Leckströme, die zu der verfälschten Spannungsmessung führt. Wichtige experimentelle bzw. instrumentelle Eigenschaften sind der genannte Kontaktwiderstand, der Eingangswiderstand des Voltmeters und der Widerstand des Voltmeters zum Ground. 
Ein Vergleich zwischen einem Aufbau mit einem klassischen Lock-In-Verstärker und dem Aufbau mit dem modernen M81-SSM-System von Lake Shore Cryotronics zeigt drastische Unterschiede: Während das herkömmliche Setup einen Fehler von über 93 % aufweist, liegt der Fehler beim M81-SSM bei lediglich 0,5 %. 
Für diesen Aufbau zur Messung an einer Hall-Bar-Probe wurde das M81-SSM-System mit dem Stromquellenmodul BCS-10 und dem Voltmeter VM-10 ausgewählt. Das VM-10 ist mit einer Eingangsimpedanz von über 1 TΩ bestens geeignet für diese Messaufgabe. Das M81-SSM ermöglicht eine präzise Messung selbst bei hohen Kontaktwiderständen und stellt somit eine zuverlässige Lösung für die elektrische Charakterisierung von 2D-Materialien dar.

Fazit:

Die Berücksichtigung von Common-Mode-Artefakten ist essenziell für die Genauigkeit von Transportmessungen an 2D-Materialien. Moderne Messsysteme wie das M81-SSM bieten durch ihr Design eine effektive Möglichkeit zur Unterdrückung dieses Fehlerterms. 
Dieser Artikel fasst den Bericht „Common-mode Artifacts in 2D Materials with Significant Contact Resistance“ zusammen, erstellt von unserem Partner Lake Shore Cryotronics.

Vollständiger Anwenderbericht

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