复旦大学引入Lake Shore新一代多通道高精度低噪声综合电学测量仪 M81，助力低维复杂物理研究迈向新阶段
发布日期：2025-09-16
近日，由全球低温和测量解决方案领域知名供应商Lake Shore公司研发的新一代多通道高精度低噪声综合电学测量仪 M81-SSM，已成功在复旦大学低维复杂物理体系研究组完成安装与测试，并正式投入科研使用。这套高端电学测量系统的引入，将为复旦大学在低维量子材料与极端条件下物性研究领域提供更多帮助，为探索石墨烯、二维半导体等低维体系中的新奇物理现象提供了强大的技术支撑。
依托M81系统具备的多通道、高精度、低噪声测量能力，结合研究组已有的极低温、超强磁场等综合物性测量平台，复旦大学研究团队将深入探索低维材料在电子-电子相互作用主导下涌现的新奇量子态，有望在新型量子器件的原理探索上取得更多突破性进展。
Quantum Design工程师在现场对M81设备进行安装调试
该系统在正式采购前，QuantumDesign中国向复旦大学研究组提供了M81设备样机，供研其开展长达数周的实地测试。试用期间，研究人员通过对比实验发现：采用M81系统测量的数据信噪比较原有测量系统实现了数量级提升，这一显著改善得益于M81系统创新的源测一体锁相设计和平衡式电流源更优的信噪比。此外M81采用量程自动切换和双量程检测技术能够让整个测量过程更加流畅，不仅摆脱了量程切换时“跳点”的困扰，同时也为客户节省了额外的操作。
相比原有方案，Lake Shore采用的集源测锁相前置放大一体的模块化设计能够有效减少各种不同类型设备间信号线、参考信号线等交错盘杂的复杂情况。同时模块也能够更加贴近测量端，从物理上进一步减少在测量过程中各类噪声通过线路混入的情况。
传统的电学输运测量和表征应用通常需要结合专用的直流和交流源表并匹配对应的电压或电流测量表，这种不同仪表和线缆的搭配中往往涉及到各类仪器复杂的设置方案。通常在仪表和被测样品之间测量线缆较长，随着测量通道数的增加，如何将系统噪声降至最低并确保各个通道之间的频率同步的挑战也随之而来。而M81的出现提供了一种采用高度同步的交直流信号源和测量模块，并利用远程模块来实现最佳灵敏度和噪声抑制的方案能够更方便客户对样品的特性进行准确的表征。
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此外，M81采用Lake Shore公司专门研制的MeasureLINK测量软件，能够对M81的控制和测量实现全程零编程的简便操作。例如多通道间信号同步，测量初始化条件，测量流程化控制，以及测量进度的实时显示和记录等等。
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MeasureLINK测量控制软件
MeasureReady™ M81-SSM系统采用模块化设计，并利用MeasureSync™自主研发信号同步技术实现信号源模块和测量模块的所有通道最高100kHz的信号实时同步。利用MeasureSync™技术M81系统可以在同一时间对所有通道进行采样，确保在相同条件下对被测器件或样本进行测试，获得一致性的数据。
M81采用主机与模块的搭配方案
M81主机是M81 SSM系统的核心。根据订购的型号，仪器支持 2、4 或 6 个通道，分别包括 1、2 或 3 个信号源和 1、2 或 3 个测量单元。每台 M81 仪器可管理 1 至 3 个信号源通道和 1 至 3 个测量通道，以便在单个测试序列中测试多个被测器件或样品，而不会因线路复杂化和信号切换造成信号劣化。此外还可以将多台仪器组合起来，进一步提高信号源和测量通道的能力，而不会降低模拟性能，同时利用 MeasureSync™ 对系统内所有信号通道进行定时同步。
M81主机
该主机以 MeasureReady™ 仪器平台为基础，采用图形化触摸屏界面进行编程控制和监测。其符合人体工程学设计的前面板具有 TiltView™ 显示屏，无论是在工作台上还是安装在机架上，都能获得最佳的可视性。它还支持标准 LAN、USB 和 GPIB 通信。
M81-SSM采用主机和模块搭配使用的方案，一个主机可以同时扩展至多3个源表模块以及至多3个测量模块，每个模块均可以适配直流以及最高100kHz的测量范围。具体有以下模块可供选择：
1. VM-10 电压测量模块
该模块提供分辨率从低纳伏到 10 V 的直流至 100 kHz 电压测量，包括振幅、相位和谐波检测功能。专有的无缝量程技术允许在增减量程时进行连续测量。
VM-10 电压测量模块
2. CM-10电流测量模块
该模块可在直流至 100 kHz 范围内，以接近零的输入偏移电压测量 fA 至 100 mA 的电流，包括幅值、相位和谐波检测功能。该模块还具有可配置的硬件和软件滤波功能。
CM-10电流测量模块
3. BCS-10电流源模块
该模块提供 1 pA 至 100 mA 的可编程电流，最大符合 ±10 V 的直流输出至 100 kHz 正弦输出。BCS-10 源自 Lake Shore 前沿的 372 型交流电阻电桥，采用差分或平衡设计，有助于减少或消除低温恒温器和其他研究设备中经常遇到的接地回路。它扩展了 372 型平衡源的功能，增加了可变频率和振幅编程能力，在保持出色噪声性能的同时，提高了灵活性。
BCS-10电流源模块
4. VS-10电压源模块
该模块可提供 ±1 nV 至 ±10 V 的可编程电压，最大符合 100 mA 的直流至 100 kHz 正弦输出。VS-10 适用于栅极偏置、电压扫描 I-V 曲线剖析，以及需要高稳定电压并结合电流、电阻/电感和其他材料或电子器件测量的应用。
VS-10电压源模块
不同的模块搭配也为不同应用场景提供了不同的解决方案，常见的测量搭配有：
| 二维材料，纳米线，有机半导体 VS module + CM module, primarily I-V特性曲线，4引线法 M81优势：低电压源噪声，低电流测量噪声 |  | |
金属-绝缘体相变，二维材料，超导材料 BCS module + VM module 交流电阻，表面电阻，交流霍尔 M81优势：交流电流霍尔：电阻和霍尔电压的同步测量； 在不同频率的超低温恒温器中同时测量多达三个器件 | ||
光电二极管和光电晶体管 CM module + occasionally VS module M81优势：可编程偏置电压源 | ||
自旋输运 DC/AC: BCS module + VM module M81优势：同步测量电阻、霍尔电压和谐波霍尔电压 | ||
MIS结、约瑟夫森结、晶体管中的缺陷表征 VS module + CM module M81优势：双 DAC 交流和直流电源 | ||
热电材料、一维材料 AC, BCS module + VM module M81优势：相位相关电流源，同步谐波检测 |
综合以上这些测量方案， M81-SSM 的强大功能不言而喻，能够为广大科研工作者提供表征多种测试结构（包括纳米结构、单层和多层原子结构、MEM、量子结构、有机半导体和超导材料）的超卓解决方案。
为了便于广大客户全面了解和亲身体验M81多通道高精度低噪声综合电学测量仪，Quantum Design中国公司引进了该设备样机，目前该设备已安装于公司科学实验中心并调试完毕。即日起，我们欢迎对该设备感兴趣的老师和同学来访，我们在Quantum Design中国科学实验中心恭候大家的到来。
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