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Erste vielversprechende AC-Messungen des Quanten-Hall-Effekts in Graphen

25.11.2014

Gleichstrommessungen hatten gezeigt, dass der Quanten-Hall-Widerstand von Graphen mit außerordentlicher Genauigkeit mit dem von herkömmlichen GaAs-Strukturen übereinstimmt. Graphen hat jedoch das Potenzial, auch bei weniger starken Magnetfeldern und weniger tiefen Temperaturen Verwendung zu finden. Nachdem im Fachbereich Halbleiterphysik und Magnetismus erfolgreich hochwertiges epitaktisches Graphen auf SiC-Substraten hergestellt wurde, konnten im Fachbereich Elektrische Quantenmetrologie erstmalig Wechselstrom-Messungen des Quanten-Hall-Widerstandes durchgeführt werden.

Jede Quanten-Hall-Probe besitzt unerwünschte Streukapazitäten. Dazu gehören neben externen Kapazitäten zwischen den Metallkontakten und umgebenden Metallen auch Kapazitäten des zwei-dimensionalen Elektronengases. Diese Streukapazitäten besitzen eine elektrische Dissipation und bewirken im Allgemeinen eine komplexe Wechselstrom-Impedanz, die zu deformierten Hall-Plateaus führt, deren Widerstände sich geringfügig vom quantisierten Widerstandswert unterscheiden. Eine Anwendung als Quanten-Impedanz-Normal ist deshalb nur möglich, wenn diese Effekte ausreichend klein sind oder eliminiert werden können. Bei GaAs-basierten Quanten-Hall-Proben hat diese Entwicklung viel Zeit in Anspruch genommen und der Effekt wird trotz seiner Vorteile zurzeit nur an der PTB erfolgreich angewendet, um daraus die Kapazitätseinheit Farad abzuleiten. Die erreichte Unsicherheit beträgt 1·10-8 (k = 2) und ist damit geringer als die aller bisherigen Kapazitätsartefakte.

Die ersten Wechselstrommessungen an Graphen bei Frequenzen im kHz-Bereich haben nun gezeigt, dass Graphen vergleichsweise günstige Wechselstrom-Eigenschaften aufweist. Die Streukapazitäten des Elektronengases sind ohne besondere Kompensationsmaßnahmen so klein, dass die Hall-Plateaus praktisch flach bleiben. Die externen Streukapazitäten bewirken eine Abweichung vom quantisierten Widerstandswert von etwa ‑8·10‑8 bei einer Frequenz von 1 kHz. Mit einer optimierten Geometrie der Graphen-Proben sollen nun weitere Verbesserungen erreicht werden. Das lässt hoffen, dass ein Graphen-basiertes Quanten-Impedanz-Normal nicht nur realisierbar ist, sondern auch einfacher und benutzerfreundlicher sein könnte. Damit könnte es breitere Anwendung in nationalen Metrologie-Instituten oder Industriefirmen finden.

 

 

Ansprechpartner: J. Schurr
Fachbereich 2.6: Elektrische Quantenmetrologie