一種全新的量子化霍爾電阻標準即將問世

一種全新的量子化霍爾電阻標準即將問世

石墨烯的厚度僅相當于一個原子，所以它幾乎是通透的。上圖為兩個位于碳化硅上的石墨烯芯片。圖片上方是16個小器件的陣列組合，非常典型的量子霍爾電阻標準。下方只是一個器件，但在邊緣處有12個黃金觸點。這些器件由無引線的芯片載體固定，可以安裝在電路板上，便于使用。

人們平日里很少察覺到電阻的作用，但它其實處處影響著人們的生活。而且它還是量子化的：吹風機或烤箱中制熱電阻的等級終都可以溯源到量子力學。

這是因為電阻的通用技術標準是基于量子霍爾效應(QHE)現象的，電阻在一定條件下具有*的離散(量化)值，測量準確度可以達到大約十億分之一。所有具有電阻測量資質的計量機構或標準實驗室都需要標準量子化霍爾器件或裝置，這些標準裝置必須已經過校準且測量結果可以追溯到同一測量基準。

量子化霍爾器件通常由兩層相鄰半導體組件構成，上下兩層材料不同卻緊密相連，例如砷化鎵(GaAs)和砷化鋁鎵(AlGaAs)。但這種材料制造困難且價格昂貴。近年來，許多實驗表明石墨烯材料具有和半導體材料相同的精度，同時，還具有制造簡單的優點。石墨烯是一種只有單原子厚度的碳原子平面層，碳原子按六角形網格狀排列，看起來像鐵絲網。

現在，NIST的研究人員已經研發了一種方法，并且經過測試，這種方法可以生成大面積均勻的石墨烯片，能對量子化霍爾器件的測量值進行均勻應變的優化。在該領域，NIST擁有悠久歷史和地位。NIST物理測量實驗室(PML)負責該項目的科學家Rand Elmquist說：“NIST是世界上少數幾個能成功制造標準品質石墨烯的機構之一，還研發了量子化霍爾器件的制造技術和測試技術，NIST能夠獨立完成從原材料到生成終產品的過程中的所有工作。”

根據近期報告，NIST生產的石墨烯是通過在石墨床上方約2μm處放置一塊絕緣碳化硅晶片(SiC)來制造的。SiC這種碳形式在磨料和陶瓷中很常見，也是常說的鉛筆中的“鉛”。SiC非常耐熱，當它被逐步加熱到1900?C時，硅升華，留下純碳結晶就是石墨烯。

“運用新技術生產的石墨烯，我們得到的結果可以與現行國家標準砷化鎵相當。”Elmquist說，“近我們進行了直接比較，得到了*相同的結果，準確度高達1×10－9。我們計劃在一兩年內研制出基于石墨烯的量子化霍爾器件作為標準參照物，那將是量子化霍爾器件研究成果轉化為商品的個原始來源，而且我們目前正在與一家私營企業*合作，準備將這些器件合成為一套完整的標準儀表組。”

在量子化霍爾電阻標準測量中，電流在厚度可忽略不計的二維低溫導體中流動。一般情況下電流方向為直線且載流導體具有能量。但是當強磁場垂直作用于電流方向時，磁場使電子的運動路徑彎曲，正負電荷分別向導體的兩端運動，在導體的兩端形成電壓差，磁通量的量子化引起了磁場強度變化，據此，導體兩端之間的電阻也實現了的量子化。

在傳統器件中，電子在砷化鎵(GaAs)和砷化鋁鎵(AlGaAs)之間的窄縫隙中運動，并且僅在低溫強磁場下可實現*量子化。因為熱量會使能級變寬甚至混合，所以GaAs型器件必須保持1.2 K(-271.95℃)甚至更低的溫度，這需要用到昂貴又復雜的液氦冷卻系統。此外，砷化鎵在量子化磁性水平之間的間隔相對較小，并且需要高于5特斯拉(T)的磁場，大約是強大的核磁共振成像掃描儀所用磁場強度的兩倍。在這些條件的限制下，器件的測量范圍僅僅為電壓小于等于1 V，電流為20μA~80μA。

Elmquist表示：“但石墨烯是一種特別好的二維材料導體，我們發現只需2T就可以*量子化，這樣我們就能使用小一點的磁性設備，甚至可以是桌面級的。據觀測，有些石墨烯量子化霍爾器件在5 K(-268.15℃)的溫度下能量子化，且臨界電流可高達720μA，這是量子化霍爾電阻標準中觀測到的值。”

“如果使用這種器件能夠在更高電流下進行測量，那么對于具有類似值的室溫下的電阻，例如1kΩ或10kΩ電阻，更可以準確地校準。如果能利用更低的磁場、更高的溫度和更高的電流，就可以生成一種更簡單的、不需要液氦的閉合循環冷凍系統。”Elmquist說，“相比石墨烯，我們每年僅運行兩次NIST的砷化鎵系統，因為運行液氦系統的費用昂貴且難度高。”

NIST的石墨烯器件還有其他幾個優點。它的網格是均勻的，并且在5.6mm×5.6mm的區域內一般沒有拓撲缺陷，這個區域大小也就相當于AA電池陽極凸起端的尺寸，并且普通石墨烯生產標準應用非常廣泛。此外，它在晶格上具有均勻的應變，這降低了電子移動過程中散射的可能性，增加了它們的可移動性。

NIST物理測量實驗室正在研制電阻單位計量標準，這將大大降低量子電標準的運營成本和運營復雜性。這才是個開始，未來需要研究的內容還有很多，NIST研究團隊聯合內部以及各地的合作伙伴一起取得了基礎性的研究成果，這些研究成果為這類電阻器的組網研究指明了方向，這種網絡可以輕松實現基于量子的電阻縮放。他們還創造了新型的類二極管連接，可應用于計算機信息處理技術和量子信息處理，除此之外，他們還一直在研究普通環境下二維材料的光電行為。

* NIST在電阻器件制造方面的成功吸引了測量有限公司(Measurements International Ltd.，縮寫為MIL)來尋求合作，并簽訂了合作研發協議，雙方共同致力于基于石墨烯的量子化霍爾電阻(QHR)標準商業化發展，該標準基于PML生產的石墨烯器件。MIL可以為基于GaAs的量子化霍爾電阻提供標準商業化的專業知識和相關經驗，而PML的量子電導項目具有石墨烯量子霍爾器件制造和表征方面的專業知識，可成功用于量子化霍爾電阻標準。此次合作進一步推動了PML正在開展的量子霍爾器件研究，雙方通力合作，致力于實現PML的首要目標：將新的石墨烯量子霍爾電阻計量標準市場化。

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