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Internationaler Austausch von Graphen-basierten Quanten-Hall-Widerständen

02.12.2020

Im Rahmen des europäischen Metrologieforschungsprojekts „GIQS“ (Graphene Impedance Quantum Standard) werden seit kurzem in der PTB Graphen-basierte Quanten-Hall-Widerstände für Anwendungen in der Quantenwiderstands- und -impedanzmetrologie entwickelt und hergestellt.

 

 

Um die Stabilität der elektronischen Eigenschaften der Bauelemente zu verbessern, wurden bei der Schaltungsherstellung erfolgreich ein neuartiges Dotier- und Einkapselungsverfahren angewendet und Behälter für die sichere Lagerung und den Transport der Bauelemente entwickelt. Die Eignung der Schaltungen für den zukünftigen Einsatz als quantenbasierte Widerstands- bzw. -Impedanznormale werden an der PTB und auch an den Instituten der Projektpartner METAS (CH), CMI (CZ), KRISS (KR) und LNE (FR) untersucht.

Mit der Revision des Internationalen Einheitensystem (SI) im Jahr 2019 kommt den Quanteneffekten eine neue Schlüsselrolle für die Darstellung der Einheiten zu. Das ‚Ohm‘ als Einheit des elektrischen Widerstands für Gleich- und Wechselstromgrößen wird dabei über den Quanten-Hall-Effekt auf die von-Klitzing-Konstante RK = h/e2 zurückgeführt, welche aufgrund der festgelegten Zahlenwerte für das Planck’sche Wirkungsquantum h und die Elementarladung e exakt bekannt ist. Der Quanten-Hall-Effekt tritt in Materialien mit zweidimensionalen Elektronensystemen in hohen Magnetfeldern und bei sehr tiefen Temperaturen auf. Graphen ermöglicht aufgrund seiner besonderen elektronischen Eigenschaften - verglichen mit herkömmlich verwendeten Materialsystemen - einen vereinfachten Zugang zur Nutzung des Quanten-Hall-Effekts als Quantenwiderstand.

An der PTB wurden Quanten-Hall-Bauelemente (siehe Ausschnitt im Bild) aus Graphen unter Anwendung eines neuartigen Dotier- und Einkapselungsverfahrens hergestellt, wodurch die Langzeitstabilität der Probeneigenschaften verbessert werden konnte. Zudem wurde eine optimierte elektrische Kontakttechnologie eingesetzt. Für den sicheren Transport und die Lagerung der Proben wurden Behälter entwickelt (siehe Bild), die auch einen Austausch mit internationalen Partnerinstituten ermöglichen.

An der PTB und an den Partnerinstituten wurden Untersuchungen durchgeführt die belegen, dass die so hergestellten Graphenschaltungen bei Gleichstrom als Quantenwiderstandsnormale einsetzbar sind: Messungen des Quanten-Hall-Widerstands wiesen relative Abweichungen vom Sollwert (gegeben durch RK) von nur etwa einem Teil in einer Milliarde auf. Zudem wurden diese Messungen bei relativ hohen Temperaturen (4.2 Kelvin) und relativ niedrigen Magnetfeldern (5 Tesla) durchgeführt – unter Bedingungen also, die mit modernen Kleinkühler-Magnetsystemen anwenderfreundlich und kostengünstig bereitgestellt werden können. Erste am Partnerinstitut CMI (Czech Metrology Institute) durchgeführte Messungen im Wechselstrombetrieb bestätigen außerdem, dass die Schaltungen auch die Anforderungen eines Quanten-Impedanznormals erfüllen.

Transportbehälter mit einer an der PTB entworfenen Probenaufnahme für die Aufbewahrung und den Versand von Quanten-Hall-Widerständen aus Graphen

Bild: Transportbehälter mit einer an der PTB entworfenen Probenaufnahme für die Aufbewahrung und den Versand von Quanten-Hall-Widerständen aus Graphen. Die Probe im Inneren des Behälters befindet sich unter Inertgasatmosphäre. Der Ausschnitt oben rechts zeigt eine Mikroskopaufnahme einer kontaktieren Probe.

 

 

 

 

Fachbereich 2.6 „Elektrische Quantenmetrologie“