科學家制備出石墨烯基量子電阻標準芯片

【環球網科技綜合報道】12月13日消息，近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所與中國計量科學研究院報道了採用在絕緣襯底表面氣相催化輔助生長石墨烯，製備高計量準確度的量子霍爾電阻標準芯片的研究工作。

據悉，相關研究成果以“Gaseous Catalyst Assisted Growth of Graphene on Silicon Carbide for Quantum Hall Resistance Standard Device”為題，發表在《Advanced Materials Technologies》上。

資料顯示，電阻標準是電學計量的基石之一。為了適應國際單位制量子化變革和量值傳遞扁平化趨勢，推動我國構建電子信息產業先進測量體系，補充國家量子化標準，開展電學計量體系中電阻的輕量級量子化復現與溯源關鍵技術研究至關重要。與傳統砷化鎵基二維電子氣（2DEG）相比，石墨烯中的2DEG在相同磁場下量子霍爾效應低指數朗道能級間隔更寬，以其製作的量子霍爾電阻可以在更小磁場、更高温度和更大電流下工作，易於計量裝備小型化。此外，量子電阻標準的性能通常與石墨烯的材料質量、襯底種類和摻雜工藝相關。

如何通過克服絕緣襯底表面石墨烯成核密度與生長調控的瓶頸，獲得高質量石墨烯單晶，並以此為基礎，優化器件結構和工藝，開發出工作穩定且具有高比對精度的量子電阻標準芯片頗為重要。  

對此，科研人員採用氫氣退火處理得到具有表面台階高度約為0.5nm的碳化硅襯底，以硅烷為氣體催化劑，乙炔作為碳源，在1300°C條件下，生長出高質量單層石墨烯。該温度條件下，襯底表面台階可保持在0.5nm以下。採用這一方法制備的石墨烯可以製成量子電阻標準器件。研究團隊直接將該量子電阻標準器件集成於桌面式量子電阻標準器，在温度為4.5K、磁場大於4.5T時，量子電阻標準比對準確度達到 1.15×10-8，長期復現性達到3.6×10-9。

據介紹，該工作提出了適用於電學計量的石墨烯基工程化、實用化的輕量級量子電阻標準實現方案，同時，通過基於其量值的傳遞方法，可以滿足不同應用場景下的電阻量值準確溯源的需求，補充國家計量基準向各個行業計量系統的量傳鏈路。