一種全新的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)即將問世

石墨烯的厚度僅相當(dāng)于一個(gè)原子，所以它幾乎是通透的。上圖為兩個(gè)位于碳化硅上的石墨烯芯片。圖片上方是16個(gè)小器件的陣列組合，非常典型的量子霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)。下方只是一個(gè)器件，但在邊緣處有12個(gè)黃金觸點(diǎn)。這些器件由無(wú)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(shí)處處影響著人們的生活。而且它還是量子化的：吹風(fēng)機(jī)或烤箱中制熱電阻的等級(jí)終都可以溯源到量子力學(xué)。

這是因?yàn)殡娮璧耐ㄓ眉夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)是基于量子霍爾效應(yīng)(QHE)現(xiàn)象的，電阻在一定條件下具有*的離散(量化)值，測(cè)量準(zhǔn)確度可以達(dá)到大約十億分之一。所有具有電阻測(cè)量資質(zhì)的計(jì)量機(jī)構(gòu)或標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室都需要標(biāo)準(zhǔn)量子化霍爾器件或裝置，這些標(biāo)準(zhǔn)裝置必須已經(jīng)過校準(zhǔn)且測(cè)量結(jié)果可以追溯到同一測(cè)量基準(zhǔn)。

量子化霍爾器件通常由兩層相鄰半導(dǎo)體組件構(gòu)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(jià)格昂貴。近年來，許多實(shí)驗(yàn)表明石墨烯材料具有和半導(dǎo)體材料相同的精度，同時(shí)，還具有制造簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。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(cè)試，這種方法可以生成大面積均勻的石墨烯片，能對(duì)量子化霍爾器件的測(cè)量值進(jìn)行均勻應(yīng)變的優(yōu)化。在該領(lǐng)域，NIST擁有悠久歷史和地位。NIST物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室(PML)負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的科學(xué)家Rand Elmquist說：“NIST是世界上少數(shù)幾個(gè)能成功制造標(biāo)準(zhǔn)品質(zhì)石墨烯的機(jī)構(gòu)之一，還研發(fā)了量子化霍爾器件的制造技術(shù)和測(cè)試技術(shù)，NIST能夠獨(dú)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(bào)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(dāng)它被逐步加熱到1900?C時(shí)，硅升華，留下純碳結(jié)晶就是石墨烯。

“運(yùn)用新技術(shù)生產(chǎn)的石墨烯，我們得到的結(jié)果可以與現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)砷化鎵相當(dāng)。”Elmquist說，“近我們進(jìn)行了直接比較，得到了*相同的結(jié)果，準(zhǔn)確度高達(dá)1×10－9。我們計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)原始來源，而且我們目前正在與一家私營(yíng)企業(yè)*合作，準(zhǔn)備將這些器件合成為一套完整的標(biāo)準(zhǔn)儀表組。”

在量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量中，電流在厚度可忽略不計(jì)的二維低溫導(dǎo)體中流動(dòng)。一般情況下電流方向?yàn)橹本€且載流導(dǎo)體具有能量。但是當(dāng)強(qiáng)磁場(chǎng)垂直作用于電流方向時(shí)，磁場(chǎng)使電子的運(yùn)動(dòng)路徑彎曲，正負(fù)電荷分別向?qū)w的兩端運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體的兩端形成電壓差，磁通量的量子化引起了磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，據(jù)此，導(dǎo)體兩端之間的電阻也實(shí)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(yùn)動(dòng)，并且僅在低溫強(qiáng)磁場(chǎng)下可實(shí)現(xiàn)*量子化。因?yàn)闊崃繒?huì)使能級(jí)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(fù)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(duì)較小，并且需要高于5特斯拉(T)的磁場(chǎng)，大約是強(qiáng)大的核磁共振成像掃描儀所用磁場(chǎng)強(qiáng)度的兩倍。在這些條件的限制下，器件的測(cè)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(dǎo)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(diǎn)的磁性設(shè)備，甚至可以是桌面級(jí)的。據(jù)觀測(cè)，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(dá)720μA，這是量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)中觀測(cè)到的值。”

“如果使用這種器件能夠在更高電流下進(jìn)行測(cè)量，那么對(duì)于具有類似值的室溫下的電阻，例如1kΩ或10kΩ電阻，更可以準(zhǔn)確地校準(zhǔn)。如果能利用更低的磁場(chǎng)、更高的溫度和更高的電流，就可以生成一種更簡(jiǎn)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(yùn)行兩次NIST的砷化鎵系統(tǒng)，因?yàn)檫\(yùn)行液氦系統(tǒng)的費(fèi)用昂貴且難度高。”

NIST的石墨烯器件還有其他幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。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?fù)淙毕荩@個(gè)區(qū)域大小也就相當(dāng)于AA電池陽(yáng)極凸起端的尺寸，并且普通石墨烯生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用非常廣泛。此外，它在晶格上具有均勻的應(yīng)變，這降低了電子移動(dòng)過程中散射的可能性，增加了它們的可移動(dòng)性。

NIST物理測(cè)量實(shí)驗(yàn)室正在研制電阻單位計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，這將大大降低量子電標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)營(yíng)成本和運(yùn)營(yíng)復(fù)雜性。這才是個(gè)開始，未來需要研究的內(nèi)容還有很多，NIST研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合內(nèi)部以及各地的合作伙伴一起取得了基礎(chǔ)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(luò)可以輕松實(shí)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(yīng)用于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化發(fā)展，該標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)商業(yè)化的專業(yè)知識(shí)和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，而PML的量子電導(dǎo)項(xiàng)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(shí)，可成功用于量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)。此次合作進(jìn)一步推動(dòng)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(shí)現(xiàn)PML的首要目標(biāo)：將新的石墨烯量子霍爾電阻計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)化。

一種全新的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)即將問世