13.11.2012
Der perfekte Weg zur Reproduzierung der Einheit des elektrischen Widerstands nutzt den Quanten-Hall-Effekt, bei dem die Einheit Ohm auf das Verhältnis von Planck-Konstante h und Elementarladung e in der Form h/e² ≈ 25.8 kΩ zurückgeführt wird. Bisher werden die Bauelemente, mit denen der Quanten-Hall-Effekt in der Metrologie genutzt wird, aufwendig aus Halbleiter-
material hergestellt. Kürzlich wurde auch für das Material Graphen, ein einlagiges Netzwerk aus Kohlenstoffatomen, dessen hervorragende Eignung als Quanten-Widerstandsnormal demonstriert, wozu allerdings die Graphenschicht in einem ähnlich aufwendigen Herstellungsverfahren auf einer SiC Oberfläche hergestellt wurde.
Offen blieb jedoch die Frage, ob auch Graphen, das mit einfacheren Methoden aus Graphit oder durch chemische Dampfphasen-Epitaxie (CVD) hergestellt wird, für Präzisionsmessungen nutzbar ist. Die technologischen Schritte, mit denen solches Graphen auf das erforderliche isolierende Substrat transferiert werden muss, ließen die Herstellung von Proben hinreichend guter Qualität nicht zu. In der PTB ist dies nun erstmals gelungen. Aus natürlichem Graphit wurde eine Kohlenstoff-Atomlage durch soge-
nannte Exfoliation präpariert und auf eine speziell vorbereitete Oberfläche eines Galliumarsenid-Kristalls transferiert. Die Wahl dieses ungewöhnlichen und in umfangreichen Vorversuchen optimierten Materials erwies sich als entscheidend für die erzielte relative große Ausdehnung des Graphenfilms, die wiederum eine Präzisionsmessung erst ermöglichte. Die erzielte relative Messunsicherheit von 6,3 ⋅ 10-9 mit einem Standard-Messaufbau für Widerstandsvergleiche war zuvor nur mit den erwähnten Halbleiterproben erreicht worden, sowie mit einem Bauelement aus SiC-gewachsenem Graphen.
Mit dem Ergebnis wurde gezeigt, dass Transferschritte, unverzichtbar bei exfoliiertem oder mittels CVD gewachsenem Graphen, mit den Erfordernissen hochpräziser Widerstandsmetrologie vereinbar sind.
Ansprechpartner: F. J. Ahlers
Fachbereich 2.6 : Elektrische Quantenmetrologie