[論文レビュー] Quantum Hall resistance standard based on graphene grown by chemical vapor deposition on silicon carbide

F. Lafont, Rebeca Ribeiro-Palau+11 more|arXiv (Cornell University)|Jul 14, 2014

Advanced Materials and Semiconductor Technologies参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、炭化ケイ素上に化学気相成長（CVD）で成長させたグラフェンを用いた量子ホール抵抗標準を提示する。1.4 Kで10 Tから始まる9 Tの磁場範囲において、ν = 2プラトーで正確な量子化されたホール抵抗を達成した。ガリウム砒素（GaAs）基準との相対的差異は (2 ± 4) × 10⁻¹⁰ であり、普遍性が確認され、CVD成長グラフェンが実用的でスケーラブルな量子抵抗標準のための成熟したプラットフォームであることが示された。

ABSTRACT

accurate quantized resistance over a 9 T range starting from 10 T on the � = 2 plateau, at a temperature of 1.4 K, in a large Hall bar QHRS made of graphene grown by chemical vapor deposition (CVD) on SiC. The relative discrepancy between the quantized Hall resistances in the graphene sample and in a reference GaAs one is equal to ( 2 ± 4) × 10 −10 . Using a current amplifier based on a superconducting quantum interference device to study the low dissipation in the QHE regime, we show that the physics of the Hall resistance plateau is characterized by a localization length of states at Fermi energy locked to the magnetic length over a large magnetic field range. This behavior is correlated with the structural properties of the CVD graphene. These results give a new proof of the universality of the QHE and constitute a further step towards a more convenient QHRS. They also demonstrate that CVD on SiC, a recently developed, hybrid and scalable growth technique, is now mature for applications.

研究の動機と目的

• CVD成長グラフェンを用いた実用的でスケーラブルな量子ホール抵抗標準（QHRS）の開発を目的とする。
• ガリウム砒素（GaAs）基準と比較することで、CVD成長グラフェンにおける量子ホール効果（QHE）の普遍性を検証することを目的とする。
• 特にフェルミエネルギーにおける状態の局在長さと関連して、CVDグラフェンの構造的性質がQHE行動に与える影響を調査することを目的とする。
• 従来のGaAsベースのQHRSに代わる代替手段として、CVD成長グラフェンの実用可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 高精度な抵抗測定を可能にするために、4H-SiC上にCVD成長したグラフェンから大規模なホールバー素子を製造した。
• 1.4 Kで10 Tから始まる9 Tの磁場範囲をカバーし、ν = 2プラトーに到達する測定を実施した。
• QHE領域における低損失を測定するために、超伝導量子干渉計（SQUID）ベースの電流増幅器を用いた。
• フェルミエネルギーにおける電子状態の局在長さを分析し、磁場長と照らし合わせてQHEの安定性を理解した。
• グラフェン試料の量子化されたホール抵抗値と、基準となるGaAsベースのQHRSの値を比較し、正確性を評価した。
• 観察されたQHE行動とCVD成長グラフェンの構造的品質を関連付けることで、材料の成熟度を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SiC上にCVD成長したグラフェンは、信頼性があり正確な量子ホール抵抗標準として機能できるか？
• RQ2 CVDグラフェンの量子化されたホール抵抗とガリウム砒素基準との間の相対的差異はどの程度か？
• RQ3 CVD成長グラフェンにおいて、フェルミエネルギーにおける状態の局在長さは、どのように磁場長と関連しているか？
• RQ4 CVD成長グラフェンの構造的性質は、ホール抵抗プラトーの安定性および量子化にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 SiC上でのCVD成長は、高品質なQHRS材料を生産するためのスケーラブルで成熟した方法であるか？

主な発見

• CVD成長グラフェンQHRSは、10 Tから始まる9 Tの磁場範囲において、ν = 2プラトーで正確な量子化されたホール抵抗を達成した。
• グラフェンQHRSとGaAs基準との相対的差異は (2 ± 4) × 10⁻¹⁰ と測定され、高い正確性と普遍性が確認された。
• フェルミエネルギーにおける状態の局在長さは、広い磁場範囲にわたり磁場長にロックされていることが判明し、強固なQHE物理学の挙動を示した。
• この挙動は、CVD成長グラフェンの構造的品質と相関しており、材料の品質がQHE性能に重要であることが示唆された。
• CVD成長によるSiC上へのグラフェン成長は、今や成熟したハイブリッド的でスケーラブルな方法として確立され、実用的量子抵抗標準に適している。
• 本結果は、CVD成長グラフェンにおける量子ホール効果の普遍性を強く裏付けるものであり、計量分野への導入を前進させるものである。