一种全新的量子化霍尔电阻标准即将问世

  XZKL1234 ·  2018-11-22 09:16  ·  10511 次点击
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石墨烯的厚度仅相当于一个原子,所以它几乎是通透的。上图为两个位于碳化硅上的石墨烯芯片。图片上方是16个小器件的阵列组合,非常典型的量子霍尔电阻标准。下方只是一个器件,但在边缘处有12个黄金触点。这些器件由无引线的芯片载体固定,可以安装在电路板上,便于使用。
人们平日里很少察觉到电阻的作用,但它其实处处影响着人们的生活。而且它还是量子化的:吹风机或烤箱中制热电阻的等级最终都可以溯源到量子力学。
这是因为电阻的通用技术标准是基于量子霍尔效应(QHE)现象的,电阻在一定条件下具有完全精确的离散(量化)值,测量准确度可以达到大约十亿分之一。所有具有权威电阻测量资质的计量机构或标准实验室都需要标准量子化霍尔器件或装置,这些标准装置必须已经过校准且测量结果可以追溯到同一测量基准。
量子化霍尔器件通常由两层相邻半导体组件构成,上下两层材料不同却紧密相连,例如砷化镓(GaAs)和砷化铝镓(AlGaAs)。但这种材料制造困难且价格昂贵。近年来,许多实验表明石墨烯材料具有和半导体材料相同的精度,同时,还具有制造简单的优点。石墨烯是一种只有单原子厚度的碳原子平面层,碳原子按六角形网格状排列,看起来像铁丝网。
现在,NIST的研究人员已经研发了一种方法,并且经过测试,这种方法可以生成大面积均匀的石墨烯片,能对量子化霍尔器件的测量值进行均匀应变的优化。在该领域,NIST拥有悠久历史和领先地位。NIST物理测量实验室(PML)负责该项目的科学家RandElmquist说:“NIST是世界上少数几个能成功制造标准品质石墨烯的机构之一,还研发了量子化霍尔器件的制造技术和测试技术,NIST能够独立完成从原材料到生成最终产品的过程中的所有工作。”
根据近期报告,NIST生产的石墨烯是通过在石墨床上方约2μm处放置一块绝缘碳化硅晶片(SiC)来制造的。SiC这种碳形式在磨料和陶瓷中很常见,也是常说的铅笔中的“铅”。SiC非常耐热,当它被逐步加热到1900˚C时,硅升华,留下纯碳结晶就是石墨烯。
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“运用新技术生产的石墨烯,我们得到的结果可以与现行国家标准砷化镓相当。”Elmquist说,“最近我们进行了直接比较,得到了完全相同的结果,准确度高达1×10-9。我们计划在一两年内研制出基于石墨烯的量子化霍尔器件作为标准参照物,那将是量子化霍尔器件研究成果转化为商品的第一个原始来源,而且我们目前正在与一家私营企业*合作,准备将这些器件合成为一套完整的标准仪表组。”
在量子化霍尔电阻标准测量中,电流在厚度可忽略不计的二维低温导体中流动。一般情况下电流方向为直线且载流导体具有能量。但是当强磁场垂直作用于电流方向时,磁场使电子的运动路径弯曲,正负电荷分别向导体的两端运动,在导体的两端形成电压差,磁通量的量子化引起了磁场强度变化,据此,导体两端之间的电阻也实现了精确的量子化。
在传统器件中,电子在砷化镓(GaAs)和砷化铝镓(AlGaAs)之间的超窄缝隙中运动,并且仅在超低温强磁场下可实现完全量子化。因为热量会使能级变宽甚至混合,所以GaAs型器件必须保持1.2K(-271.95℃)甚至更低的温度,这需要用到昂贵又复杂的液氦冷却系统。此外,砷化镓在量子化磁性水平之间的间隔相对较小,并且需要高于5特斯拉(T)的磁场,大约是最强大的核磁共振成像扫描仪所用磁场强度的两倍。在这些条件的限制下,器件的测量范围仅仅为电压小于等于1V,电流为20μA~80μA。
Elmquist表示:“但石墨烯是一种特别好的二维材料导体,我们发现只需2T就可以完全量子化,这样我们就能使用小一点的磁性设备,甚至可以是桌面级的。据观测,有些石墨烯量子化霍尔器件在5K(-268.15℃)的温度下能完美量子化,且临界电流可高达720μA,这是量子化霍尔电阻标准中观测到的最高值。”
“如果使用这种器件能够在更高电流下进行测量,那么对于具有类似值的室温下的电阻,例如1kΩ或10kΩ电阻,更可以准确地校准。如果能利用更低的磁场、更高的温度和更高的电流,就可以生成一种更简单的、不需要液氦的闭合循环冷冻系统。”Elmquist说,“相比石墨烯,我们每年仅运行两次NIST的砷化镓系统,因为运行液氦系统的费用昂贵且难度高。”
NIST的石墨烯器件还有其他几个优点。它的网格是均匀的,并且在5.6mm×5.6mm的区域内一般没有拓扑缺陷,这个区域大小也就相当于AA电池阳极凸起端的尺寸,并且普通石墨烯生产标准应用非常广泛。此外,它在晶格上具有均匀的应变,这降低了电子移动过程中散射的可能性,增加了它们的可移动性。
NIST物理测量实验室正在研制电阻单位计量标准,这将大大降低量子电标准的运营成本和运营复杂性。这才是个开始,未来需要研究的内容还有很多,NIST研究团队联合内部以及全国各地的合作伙伴一起取得了基础性的研究成果,这些研究成果为这类电阻器的组网研究指明了方向,这种网络可以轻松实现基于量子的电阻缩放。他们还创造了新型的类二极管连接,可应用于计算机信息处理技术和量子信息处理,除此之外,他们还一直在研究普通环境下二维材料的光电行为。
*NIST在电阻器件制造方面的成功吸引了测量国际有限公司(MeasurementsInternationalLtd.,缩写为MIL)来寻求合作,并签订了合作研发协议,双方共同致力于基于石墨烯的量子化霍尔电阻(QHR)标准商业化发展,该标准基于PML生产的石墨烯器件。MIL可以为基于GaAs的量子化霍尔电阻提供标准商业化的专业知识和相关经验,而PML的量子电导项目具有石墨烯量子霍尔器件制造和表征方面的专业知识,可成功用于量子化霍尔电阻标准。此次合作进一步推动了PML正在开展的量子霍尔器件研究,双方通力合作,致力于实现PML的首要目标:将新的石墨烯量子霍尔电阻计量标准市场化。

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