01.12.2021
Das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) hat in einer kürzlich durchgeführten Studie einen Quanten-Hall-Widerstand aus Graphen untersucht, der in der PTB entwickelt und hergestellt wurde. Durch Vergleich mit herkömmlichen Quanten-Widerstandsnormalen basierend auf Halbleiter-Heterostrukturen wurden die hervorragenden Eigenschaften der Graphenprobe bestätigt, was deren Eignung als primäres Quantenwiderstandsnormal untermauert.
Graphenbasierte Quanten-Hall-Widerstände werden in der PTB bereits seit einigen Jahren entwickelt und optimiert. Fortschritte in der Herstellungstechnologie, die im Rahmen des laufenden Forschungsprojekts „Graphene Impedance Quantum Standard“ (
GIQS) erzielt wurden, ermöglichen nun den Betrieb bei relativ niedrigen magnetischen Flussdichten unterhalb von 5 T und bei relativ hohen Temperaturen von etwa 4.2 K (flüssiges Helium). Solche Bedingungen können mit modernen Kleinkühler-Magnetsystemen bereitgestellt werden, was den Betrieb graphenbasierter Quanten-Hall-Widerstände gegenüber herkömmlichen Schaltungen aus Halbleiter-Heterostrukturen, die üblicherweise niedrigere Temperaturen (etwa 1,5 K) und höhere Magnetfelder (Flussdichten von etwa 10 T und darüber) verlangen, deutlich vereinfacht. Das eröffnet die Perspektive der nutzerfreundlichen und kostengünstigen Verwendung primärer Widerstandsnormale in Industrie- und Kalibrierlaboratorien.
Die Untersuchungen des BIPM wurden an einem Quanten-Hall-Widerstand der PTB aus epitaktisch gewachsenem Graphen durchgeführt. Die Graphenprobe wurde nach dem Wachstumsprozess in chemisch dotierte Polymerschichten eingekapselt. Auf diese Weise konnte die Ladungsträgerdichte und damit der „Arbeitspunkt“ der Probe gezielt eingestellt werden. Mittels elektrischer Präzisionsmessungen wurde die Gleichwertigkeit der PTB-Graphenprobe (betrieben bei einer Temperatur von 4,2 K und bei magnetischen Flussdichten zwischen 4 T und 5 T) und den bisher verwendeten Primärnormalen des BIPM auf der Basis von Halbleiter-Heterostrukturen überprüft: Die dabei gemessenen (quantisierten) Widerstandswerte beider Probentypen stimmten im Rahmen der sehr kleinen relativen Messunsicherheit von 3 nΩ/Ω überein. Diese hervorragende Übereinstimmung belegt die Eignung der PTB-Graphenprobe für deren Nutzung als Quanten-Widerstandsnormal. Weiterführende Untersuchungen an Graphenproben der PTB inklusive der Bewertung der zeitlichen Stabilität der Ladungsträgerdichte sind geplant.
Bild: An der PTB entwickelter und hergestellter Quanten-Widerstand aus Graphen, elektrisch kontaktiert im Probenhalter.
Quellen:
Fachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus"