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

26.11.2014

An der PTB wurde der Wachstumsprozess zur Herstellung von Graphen auf Siliziumkarbid (SiC) verbessert. Das so hergestellte Material eignet sich hervorragend für die Widerstandsmetrologie.

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