霍尔效应测试平台在材料物理专业实验教学中的应用

刘亲壮 李浩哲 赵丽 李兵 张永兴 刘忠良

【摘   要】   针对淮北师范大学教育实际情况及材料物理专业的特点，以素质教育为中心，以培养具有创新能力和创新意识的高素质人才为目标导向，开发了一种对材料电学性质进行测量的霍爾效应测试平台，探讨了该平台在实验教学中的应用。结果表明该测试平台提高了实验教学质量，对培养具备创新能力和创新意识的人才具有一定的推进作用。

【关键词】   材料物理专业;霍尔效应;实验教学

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

〔中图分类号〕  G642.0               〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）01- 0108 - 03

0     引言

高校是培养创新型人才的重要阵地，有着非常丰富的教育资源。高校实验室作为实验教学、科学研究、技术开发和学术交流的重要平台，在培养学生创新能力方面起到举足轻重的作用[1-3]。培育具备创新能力和创新思维的高素质人才，是一项复杂的系统工程。完善的实验教学体系对培养学生动手能力和思维创新，推动培育高素质创新型的人才这一目标导向的形成，具有十分重要的作用[4]。淮北师范大学材料物理专业紧紧围绕国家战略以及该行业的发展需要，以培养和造就具有较高创新能力和分析能力的高素质人才为教育目标。本文以淮北师范大学教育目标为基准，以相关专业课程为出发点，把专业的理论知识和实验教学的实践过程进行结合，探究霍尔效应测试平台在材料物理专业实验教学中的应用。

1     材料物理专业理论和实验教学内容及特点

根据专业培养目标，材料物理专业的教学内容大体上分为理论教学和实验教学两个部分。开设的理论课程为物理学、材料科学、材料化学和材料物理的基本理论和基本知识的系统学习，旨在帮助学生掌握材料物理及其相关的基础知识、基本原理。例如开设的《材料科学基础》课程，分章划节逐次渐近，从材料的微观结构梳理到宏观组织，向学生架构本学科的基本内容与重点延伸;开设的多种课程使学生能够更加深入地研究和理解其专业理论知识。开设的实验课程，涉及到材料的制备、结构表征以及后续的性能测试等。

在实验教学中，对于材料进行性能测试时，电学测试成为重要的性能测试。其中，霍尔效应测试是对电学性质进行具体分析，是从微观角度对材料电学性质进行呈现。学生通过开设的霍尔效应测试平台实验课程，对不同材料的电学特性进行测试，不仅可以让学生加深对材料物理专业的相关理论理解，还可以根据测试的结果，对实验提出问题、分析问题和解决问题。所以，本校材料物理专业中的霍尔效应测试平台对培养自主能力和创新意识的人才起了很好的促进作用。

2     霍尔效应测试平台的结构和测试功能

2.1   平台的硬件结构和原理

霍尔效应测试平台的硬件结构和原理如图1所示。本测试平台型号为Ecopia-HMS 3000，平台的主机包括恒电流源以及范德堡法则终端转换器。该测试平台的恒电流源采用的电流范围设置为六级，该设置可以使接收的误差数值降到最低，范围可以控制在1 nA-20 mA。范德堡法则终端转换器使用非接触装置，可以有效地降低仪器噪声。PCB弹簧测试板可以放置的样品大小为6 mm×6 mm。磁场强度输入系统的磁场强度是0.556 T。外接的压缩制冷机和温控仪可以用于变温霍尔效应测试，可以实现在低温条件下的参数测量，显示器用于对测试的电学参数进行分析。

2.2   测试功能

该测试平台可以对不同样品进行常温变温霍尔效应测试，分析测试样品的电阻率、遷移率和载流子浓度三者的关系。也可以对同一样品进行变温霍尔效应测试，根据电阻率、迁移率和载流子浓度三者在不同的温度条件下各自变化趋势，温度的变化区间范围可以从15 K到300 K。

3     霍尔效应测试平台的应用及测试实例

本测试平台不仅仅可以用在科研工作领域，也可以应用在材料物理专业实验教学之中。测试平台主要有以下两个方面的应用。

3.1   常温下霍尔效应测试

由于不同材料有不同的结构类型，所以其电学特性的参数电阻率、迁移率和载流子浓度也会不同。针对材料合成的组分不同，可以通过霍尔效应测试平台来分析组分不同引起的电阻率、迁移率和载流子浓度的变化规律。学生可以通过电阻率、迁移率和载流子浓度三者关系的测试分析，更加深入地了解科学研究，从而提高学生自身的动手能力、创新能力和创新思维。图2是平台测试的分别外延生长在MgO衬底上的（LaxBa1-x）SnO3（x=0.02，0.05，0.07，0.1）薄膜的电阻率、迁移率和载流子浓度三者之间的关系。通过测试图可以看到迁移率随着La元素的增加先增大后减小，载流子浓度有着一直增大的变化规律，电阻率的数值根据公式，先有着减小的改变，然后随着掺杂量的增加，数值开始增大。从图2结果可得出，该组分的材料拥有良好的导电性能。

3.2   变温霍尔效应测试

本测试平台不仅可以在常温下测量霍尔效应，而且可以在15 K- 300K的温度范围内进行霍尔效应的测试。学生可以利用温控仪对块体待测样品进行降温处理，测量在变温的条件下参数载流子浓度、迁移率以及电阻率随着温度的变化而变化的趋势。在进行测试的过程中，学生可以提出问题、分析问题、探讨问题和解决并总结问题，从而促进新的知识结构和新型创新能力的形成。图3给出了外延生长在LaAlO3衬底上的SrVO3薄膜的变温霍尔效应测试关系图。从图中可以看出SrVO3薄膜具有出色的导电性能，在太阳能电池、二极管等众多领域中拥有很好的应用前景。

4     结语

材料科学技术的飞速发展，使得社会对高等院校的人才培养和科学研究提出了更高的要求。如何培养具有创新型和适应材料发展领域的高水平人才是当代高等院校一直探讨和研究的课题[5-6]。霍尔效应测试平台的使用，满足了本校材料物理专业学生对材料电学性质的测试，加深了对理论知识的理解，激发了学生的学习兴趣，提高了分析问题与解决问题的能力，培养了学生的创新能力，在实验教学中取得了较好的教学效果。

[参考文献]

[1] 王 勤. 高校物理实验教学发展的思考与建议[J]. 晋中学院学报，2021，38（3）：69-71.

[2] 吴敏， 洪峰， 田哲文. 适应“双一流”建设与创新人才培养的高校实验室建设研究[J]， 大学教育， 2021（7）：173-175.

[3] 刘霞. 应用型本科高校实验室资源共享现状及对策[J]. 枣庄学院学报， 2021，38（2）：134-137.

[4] 汤佳立，周正平，张奉国. 开放实验教学体系完善与教学辅助队伍建设的探索与实践[J]. 科技与创新， 2021（10）：144-146.

[5] 黄剑平. 深化高校实验教学改革的思考[J]. 湖北科技学院学报， 2003， 23（5）： 146-147.

[6] 李越. 高校实验教学改革的思考与实践[J]. 高校实验室工作研究， 2009（2）： 6-8.