[论文解读] 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 3

一句话总结

本论文展示了一种基于碳化硅上化学气相沉积（CVD）生长石墨烯的量子霍尔电阻标准，在1.4 K温度下，从10 T起始，在ν = 2量子化平台范围内实现了9 T磁场范围内的精确量子化霍尔电阻。与GaAs参考标准相比，相对偏差为(2 ± 4) × 10⁻¹⁰，证实了普适性，并确立了CVD生长石墨烯作为可扩展、成熟的实用量子电阻标准平台。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于碳化硅上CVD生长石墨烯的实用、可扩展的量子霍尔电阻标准（QHRS）。
• 通过将CVD生长石墨烯的量子化电阻与GaAs参考标准进行比较，验证其在CVD生长石墨烯中量子霍尔效应（QHE）的普适性。
• 研究结构特性在CVD石墨烯QHE行为中的作用，特别是费米能级附近电子态局域长度的影响。
• 证明CVD生长石墨烯作为传统基于GaAs的QHRS的可行替代方案的可行性。

提出的方法

• 在4H-SiC上制备了大面积霍尔条形器件，以实现高精度电阻测量。
• 在1.4 K温度下，从10 T起始，测量了9 T范围的磁场，以进入ν = 2平台区域。
• 采用基于超导量子干涉器件（SQUID）的电流放大器，探测QHE区域中的低耗散行为。
• 分析费米能级附近电子态的局域长度，并与磁长度相关联，以理解QHE的稳定性。
• 将石墨烯样品中测得的量子化霍尔电阻值与参考GaAs基QHRS的值进行比较，以评估测量精度。
• 将观测到的QHE行为与CVD生长石墨烯的结构质量相关联，以评估材料的成熟度。

实验结果

研究问题

• RQ1 CVD生长石墨烯在SiC上能否作为可靠且精确的量子霍尔电阻标准？
• RQ2 CVD石墨烯中量子化霍尔电阻与GaAs参考标准之间的相对偏差是多少？
• RQ3 在CVD生长石墨烯中，费米能级附近电子态的局域长度与磁长度之间存在何种关系？
• RQ4 CVD生长石墨烯的结构特性在多大程度上影响霍尔电阻平台的稳定性和量子化？
• RQ5 在SiC上CVD生长是否是一种可扩展且成熟的高质量QHRS材料制备方法？

主要发现

• CVD生长石墨烯QHRS在从10 T起始的9 T磁场范围内，于ν = 2平台实现了精确的量子化霍尔电阻。
• CVD石墨烯QHRS与GaAs参考标准之间的相对偏差为(2 ± 4) × 10⁻¹⁰，证实了高精度与普适性。
• 费米能级附近电子态的局域长度在宽广的磁场范围内被锁定于磁长度，表明QHE物理行为具有强鲁棒性。
• 该行为与CVD生长石墨烯的结构质量密切相关，表明材料质量对QHE性能至关重要。
• CVD在SiC上生长已被确立为一种成熟、混合式且可扩展的方法，适用于实际量子电阻标准。
• 结果为CVD生长石墨烯中量子霍尔效应的普适性提供了有力证据，推动其在计量学中的应用。