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Quanten-Hall-Schaltung aus epitaktischem Graphen liefert exakt quantisierten Widerstandswert

26.11.2014

Graphen ist ein nur eine Atomlage dicker Kohlenstoff-Film. Er könnte in Zukunft dazu genutzt werden, die Einheit des elektrischen Widerstandes, das Ohm, robust zu reproduzieren. Bislang werden dazu sogenannte Gallium-Arsenid Heterostrukturen verwendet. Diese zeigen, wie auch Graphen, den Quanten-Hall-Effekt, der zur extrem präzisen Widerstandskalibrierung verwendet werden kann. Der Vorteil von Graphen liegt in den potentiell einfacheren Messbedingungen: in Graphen tritt der Quanten-Hall-Effekt bei höheren Temperaturen als in Gallium-Arsenid auf.

Graphen wird in der PTB in einem speziellen Ofen bei bis zu 1900°C durch thermische Zersetzung  von Siliziumkarbid (SiC) hergestellt. Folgt man den üblichen Prozessen, wächst die atomare Lage Kohlenstoff allerdings auf einer gestuften Kristalloberfläche, was den elektrischen Stromfluss behindert und den Quanten-Hall Effekt verschlechtert. Durch die Optimierung der Prozessbedingungen, insbesondere durch einen neuartigen in-situ Präparationsschritt, konnte nun eine atomar glatte SiC-Oberfläche mit nur noch 0,75 nm hohen Nanostufen erzeugt werden. Dies entspricht der minimalen für SiC-Kristalle erreichbaren Stufenhöhe.  Auf dieser sehr glatten SiC-Oberfläche wächst anschließend ein zusammenhängender Graphenfilm aus einer einzigen Lage Kohlenstoff.

Dies zeigt sich auch in elektrischen Messungen, die einen nahezu richtungsunabhängigen Widerstand ergeben – die verbleibenden Nanostufen haben somit so gut wie keinen Einfluss mehr auf den Stromfluss.  An derartigen Proben wurden erfolgreich Quanten-Hall-Messungen durchgeführt. Präzisionsmessungen des quantisierten Hall-Widerstandes reproduzieren exakt den Wert der von-Klitzing-Konstante innerhalb einer relativen Abweichung  von 1,8±4,5x10-9 bei einer Messstromstärke von 20 µA. Bemerkenswert ist dabei die gute Homogenität des so hergestellten Graphens, die es erlaubt, hochpräzise Messungen an relativ großen Proben mit Abmessungen 400 µm x 100 µm durchzuführen.

 

 

Bild 1: Rechteckiger Hall-Barren aus 1-lagigem Graphen. Die dünnen Gold-Kontakte dienen zur Messung von Hall- und Längsspannung

 

 

 

Bild 2: Messung von Hall- und Längswiderstand (schwarze bzw. rote und blaue Kurve) auf beiden Seiten einer Probe aus epitaktischem Graphen nach dem „photo-chemical gating“ (Elektronen-Konzentration 7x10-11 cm-2 und Elektronen-Beweglichkeit 7700 cm2/Vs)

 

 

 

 

Ansprechpartner: Klaus Pierz
Fachbereich 2.5: Halbleiterphysik und Magnetismus