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Zuverlässige Dotierung von Graphen für Quantenwiderstandsnormale

20.10.2022

 

Quantenwiderstandsnormale aus Graphen erlauben die präzise Darstellung der Widerstandseinheit Ohm unter vereinfachten Messbedingungen bezüglich Temperatur und Magnetfeld gegenüber konventionellen GaAs-basierten Widerstandsnormalen. Um eine präzise Quantisierung auch bei kleinen Magnetfeldern zu erreichen, muss die Elektronendichte im Graphen präzise eingestellt werden. Der PTB ist die Weiterentwicklung und Verbesserung der molekularen Dotiermethode gelungen, welche dies kontrolliert ermöglicht.

Bei der verbesserten Methode werden mehrere dünne Polymerschichten, die mit dem Akzeptormolekül F4-TCNQ dotiert sind, auf die Graphenoberfläche aufgetragen. Die Einstellung der Ladungsträgerdichte im Graphen basiert dabei auf komplexen physikalisch-chemischen Vorgängen, die sowohl Diffusionsprozesse als auch Elektronentransfer zwischen der Graphenschicht und Grenzflächenzuständen umfassen.

Die Ergebnisse der in der PTB durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Elektronendichte im Graphen durch die Akzeptorkonzentration in den Polymerschichten auf das gewünschte Maß reduziert und damit genau eingestellt werden kann. Präzisions­messungen des Quanten-Hall-Effekts bestätigten, dass die Widerstands­quantisierung (Quanten-Hall-Plateaus) wie gewünscht und bedingt durch die reduzierte Ladungsträgerdichte im Bereich von 1011 cm-1 schon bei niedrigeren Magnetfeldern von etwa 4 Tesla gegeben ist.

 

Insgesamt ermöglicht diese Dotiermethode eine vereinfachte Herstellung von Quanten-Widerstandsnormalen aus Graphen. Der gefundene Zusammenhang zwischen Elektronendichte und Ausdehnung der quantisierten Widerstandsplateaus stellt dabei ein praktisches Auswahlkriterium für die Eignung von Graphenproben in der Widerstandsmetrologie bereit. Die Ergebnisse der Studie sind in der unten genannten Veröffentlichung publiziert worden.

 

Veröffentlichung:

Yefei Yin et al.: Tailoring permanent charge carrier densities in epitaxial graphene on SiC by functionalization with F4-TCNQ, Advanced Physics Research (2022)

 

 

 

Ansprechpersonen:

Yefei Yin und Klaus Pierz

Fachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus"

yefei.yin@ptb.de

klaus.pierz@ptb.de