一种全新的量子化霍尔电阻标准即将问世.pdf

一种全新的量子化霍尔电阻标准即将问世

一种全新的量子化霍尔电阻标准即将问世

 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2mu;m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。

 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乘以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20mu;A~80mu;A。

 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720mu;A，这是量子化霍尔电阻标准中观测到的

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1kOmega;或10kOmega;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