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Verbesserte Graphen-Widerstandsnormale durch gezielte Dotierung

30.11.2021

Eine Voraussetzung für die erfolgreiche Entwicklung elektrischer Quantennormale aus Graphen ist die zuverlässige Kontrolle der Ladungsträgerdichte. Erst diese ermöglicht es, das Potential von Graphen voll auszuschöpfen und Widerstands- und Impedanznormale zu entwickeln, die bei möglichst kleinen Magnetfeldern betrieben werden können.

 

 

 

In einer Untersuchung im Rahmen des von der PTB koordinierten europäischen Forschungsprojekts „GIQS“ (Graphene Impedance Quantum Standard) wurde gezeigt, dass mit Hilfe einer sogenannten molekularer Dotierung der Arbeitspunkt der Graphen-Quantennormale im Magnetfeld zielgenau eingestellt werden kann. Die Ergebnisse wurden auf der Graphen-Flagship-Konferenz „Graphene Week 2021“ vorgestellt.


Die Dotierung der mittels Epitaxie auf Siliziumkarbid-Substrat gewachsenen Graphenschichten erfolgte durch nachträgliches Auftragen von polymerbasierten Dotierschichten, die sogenannte F4-TCNQ-Moleküle enthalten. Diese Moleküle werden bereits in anderen Bereichen der Elektroniktechnologie als Elektronenakzeptor eingesetzt und ermöglichen es, die vergleichsweise hohe Ladungsträgerdichte im epitaktisch gewachsenen Graphen zu reduzieren. So wird die Ladungsträgerdichte des Graphen in eine für die Anwendung als Quanten-Widerstandnormal geeignete Größenordnung gebracht.

 

Die in der PTB durchgeführten Magnetotransport- Messungen an Quanten-Hall-Strukturen aus so dotierten Graphenschichten haben dies eindeutig bestätigt. Neu ist, dass durch Kontrolle der F4-TCNQ-Konzentration in den Polymerschichten erstmals die Dotierung so präzise dosiert wurde, dass die Ladungsträgerdichte gezielt über einen Bereich von zwei Größenordnungen eingestellt werden konnte. Die damit hergestellten Quanten-Widerstandsnormale zeigen über einen weiten Magnetfeldbereich von etwa drei bis zehn Tesla eine hervorragende Präzision des quantisierten Widerstandes. Auch die Langzeitstabilität der Normale hat sich dadurch im Vergleich mit vorherigen Proben, die auf andere Weise dotiert worden waren, erheblich verbessert.

 

Bei geeigneter Lagerung ist an den neuen Proben über Monate nur eine geringe Änderung der Dotiereigenschaften feststellbar. Dies ermöglichte es, die neuartigen Graphen-basierten Quanten-Hall-Widerstandsnormale (siehe Bild) an andere metrologische Staatsinstitute sowie an das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM, Internationale Organisation mit der Aufgabe, ein weltweit einheitliches und eindeutiges System von Maßen auf Basis des Internationalen Einheitensystems zur Verfügung zu stellen) zu verschicken, um sie so im Rahmen internationaler Vergleichsmessungen zu validieren.

 

Bild: An der PTB hergestelltes Quanten-Widerstandsnormal aus Graphen. Das Trägermaterial besteht aus Siliziumkarbid, die elektrischen Kontakte sind mit sogenannten Bonddrähten kontaktiert. Die Graphenschicht selbst, eine einzelne atomare Lage von Kohlenstoff, ist transparent und im Bild nicht sichtbar.

 

 

 

 

 

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