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BIPM正在准备从砷化镓到石墨烯量子化霍尔电阻基准的转变

1136    2021-11-05    发布者:中国测试杂志社    来源:BIPM 翻译:中国测试新闻中心

自从国际单位制(SI)的最后一次修订以来,量子化霍尔电阻标准(QHR)一直被用来执行从普朗克常数和基本电荷中直接实现欧姆。 这些QHR标准在越来越多的国际计量院中得以使用,尽管它们的实现成本和复杂性仍然很高,主要是由于该技术依赖砷化镓(GaAs)/砷化铝镓(AlGaAs)异质结构, 一个由超导磁铁(通常是>10T)和昂贵的液氦产生的高磁场,它需要非常低的温度(<1.5K)。

然而,在过去十年中,基于石墨烯QHR标准的发展和持续改进,现在为基于GaAs的标准提供了另一种选择。石墨烯QHR标准在温度和磁通量密度不那么严格的实验条件下具有显著的量化能力。石墨烯QHE样品的量子化在通量密度为5T或以下、温度高达4.2K的情况下已被证明。 

用基于石墨烯的标准取代GaAs QHR标准将大大简化这些初级电阻标准的实施,并降低其使用成本和尺寸。这个结果令国际计量局(BIPM)在其QHR现场比对项目BIPM.EM-K12的框架内特别感兴趣。 

BIPM最近有机会在石墨烯阻抗量子标准(GIQS)欧洲国家计量研究院协会(EURAMET)项目框架内研究德国联邦物理技术研究院(PTB)开发的一种新的基于石墨烯的QHR样品[1-2]。 该样品由直径为毫微米的均匀单层外延石墨烯制作而成,其制作工艺已经过优化,并应用了分子生长后掺杂技术,将电子密度降低到1011 cm−2以下。 它被封装在聚合物层中,在小于6T的低磁通密度值下有望获得稳定的工作点。 

在BIPM进行的精度测量主要包括PTB新开发的石墨烯样品和BIPM现有砷化镓之前的对等效性的验证,其中,石墨烯样品被放置在4.2K的液氦温度和低于5T低磁通密度的环境下操作。在直流电中,通过测量100Ω传统转移电阻,将石墨烯QHR与GaAs QHR参考标准进行比较。 对于不同电流值和不同制备源的两种不同砷化镓样品,重复了这种比较。 

石墨烯和基于GaAs的QHR样品之间的测量差异非常小,仅为(1±3)nΩ/Ω量级,石墨烯样品的磁通密度低至4T,表明新的PTB石墨烯样品具有很高的准确性。 载流子密度随时间变化的稳定性仍有待评估。 然而,关于后一点,PTB和GIQS项目的合作者已证明,同一类型石墨烯样品的载流子密度可以在很长一段时间内保持稳定,只要它被密封在充满惰性气体的容器中,就算在几个计量机构之间进行长途国际运输后也能依然稳定 。 

在PTB样品出来之前,另一种商业化的石墨烯样品使用了NIST开发的制造工艺,也在BIPM进行了测试。 该样品的载流子密度可以在使用前通过退火调节到期望值[3-4],得到了很好的结果,是BIPM开发下一代QHR标准的另一个非常有前途的候选方案。 

基于这些令人鼓舞的结果,一场从GaAs基准到石墨烯QHR基准的转变正在BIPM上演,它容许更宽松的操作条件,计划在几年内生效。 与此同时,对不同来源的其他石墨烯样品和现有样品改进版的研究将继续进行,特别是关于其载流子密度随时间变化的稳定性或在使用前易于调整的能力的研究。 


参考文献:

1.GIQS project website: https://www.ptb.de/empir2019/giqs/home

2.https://www.ptb.de/empir2019/fileadmin/documents/empir-2019/GIQS/documents/GIQS_Newsletter_N3.pdf

3.T. Oe et al., Comparison Between NIST Graphene and AIST GaAs Quantized Hall Devices, IEEE T. Instrum. Meas., 69(6), 2020, 3103-3108 doi: 10.1109/TIM.2019.2930436

4.A. F. Rigosi et al., Metrological Suitability of Functionalized Epitaxial Graphene 2020 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), 2020, 1-2, doi: 10.1109/CPEM49742.2020.9191783



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