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(xiàn)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(zhì)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(jīng)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(yōu)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(wǎng)格狀排列，看起來像鐵絲網(wǎng)。

現(xiàn)在，NIST的研究人員已經(jīng)研發(fā)了一種方法，并且經(jīng)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(yōu)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(shù)幾個能成功制造標準品質(zhì)石墨烯的機構之一，還研發(fā)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(chǎn)品的過程中的所有工作。”

根據(jù)近期報告，NIST生產(chǎn)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(chǎn)的石墨烯，我們得到的結果可以與現(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)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(yè)*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?qū)w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(jù)此，導體兩端之間的電阻也實現(xiàn)了的量子化。

在傳統(tǒng)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(xiàn)*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(tǒng)。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(fā)現(xiàn)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(jù)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(huán)冷凍系統(tǒng)。”Elmquist說，“相比石墨烯，我們每年僅運行兩次NIST的砷化鎵系統(tǒng)，因為運行液氦系統(tǒng)的費用昂貴且難度高。”

NIST的石墨烯器件還有其他幾個優(yōu)點。它的網(wǎng)格是均勻的，并且在5.6mm×5.6mm的區(qū)域內(nèi)一般沒有拓撲缺陷，這個區(qū)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(chǎn)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(nèi)容還有很多，NIST研究團隊聯(lián)合內(nèi)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(wǎng)研究指明了方向，這種網(wǎng)絡可以輕松實現(xiàn)基于量子的電阻縮放。他們還創(chuàng)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(huán)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(fā)協(xié)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(yè)化發(fā)展，該標準基于PML生產(chǎn)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(yè)化的專業(yè)知識和相關經(jīng)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(yè)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(xiàn)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。

一種全新的量子化霍爾電阻標準即將問世