CN114335334A - 一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米材料异质结构应用研究领域，针对传统砷化镓‑铝砷化镓需要液氦温度以下和10T以上磁场等苛刻的量子霍尔电阻平台测量条件等问题，公开了一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法。CrOCl支撑的石墨烯体系借助于CrOCl反铁磁绝缘体对石墨烯的界面耦合，可实现对石墨烯的电子输运调控，相比于传统砷化镓‑铝砷化镓苛刻的量子霍尔电阻平台测量条件，可以通过栅压调控实现在更大的参数空间，即磁场要求低至0.2T，温度最高可达液氮温度(77K)以上，实现稳定的量子化横向电导平台，大大的降低了量子电阻标准的门槛，从而可以更加便利的使用量子电阻标准取代原来的电阻实物标准，成为新一代电阻基准，有望在量子计量学中获得广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料异质结构应用研究领域，具体涉及一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法。
背景技术
美国物理学家霍尔在1879年研究导体在磁场中的导电行为时发现了经典的霍尔效应，即霍尔电阻正比于垂直电流的磁场大小。在1980年，德国物理学家冯克利青在研究低温和强磁场下场效应晶体管半导体氧化物界面上的二维电子气发现，霍尔电阻并不随磁场的改变而线性增加，呈现阶梯状的增长，每个平台的霍尔电阻满足下列公示，RH＝VH/I＝RK/I＝h/ie2，其中h为普朗克常数，e为电子电荷，i是与每一个台阶对应的正整数1，2，3···，即量子化的霍尔电阻数值与器件的形状是无关的，冯克利青也因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。
相比于传统实物基准由于时间变化而产生的不确定性，量子化霍尔电阻值理论上等于恒量RK/i，因此是极其稳定的，具有较高的复现准确度。精确度高，达到10-8量级甚至更高，因此量子化霍尔电阻对于高精度计量具有非常重要的应用价值。1990年，基于量子霍尔效应的量子电阻标准取代了原来的电阻实物标准成为新一代电阻基准。但是对于传统用砷化镓-铝砷化镓异质结材料制作的量子霍尔器件，实现量子霍尔效应的条件比较苛刻，需要接近绝对零度的温度，使用液氦进行制冷并施加10特斯拉的强磁场，近年来，石墨烯作为研究低温强磁场环境下二维电子气物理现象的理想材料，受到研究人员的广泛关注。
发明内容
针对上述问题本发明提供了一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
本发明提供一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法，包括以下步骤：
制备CrOCl支撑的石墨烯体系，通过栅压调控实现更高的参数空间里的量子霍尔效应平台，从而可以使用量子电阻标准取代原来的电阻实物标准，成为新一代电阻基准。
进一步，所述更高的参数空间具体为，磁场要求低至0.2T，温度最高可达液氮温度(77K)以上。
进一步，在所述的CrOCl支撑的石墨烯体系中，CrOCl可以在石墨烯的单侧或者两侧。
进一步，所述CrOCl的厚度在单层到50nm范围内。
进一步，所述CrOCl支撑的石墨烯体系，可以通过干法转印、湿法转印、化学气相沉积CVD生长类常规的器件制备方法得到。
进一步，所述CrOCl支撑的石墨烯体系可以置于硅基底、宝石基底、石英基底、云母片、柔性基底。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明的CrOCl支撑的石墨烯体系，借助于CrOCl反铁磁绝缘体对石墨烯的界面耦合，可实现对石墨烯的电子输运调控，相比于传统砷化镓-铝砷化镓接近绝对零度和10T磁场等苛刻的量子霍尔电阻平台测量条件，可以通过栅压调控实现在更大的参数空间，即磁场要求低至0.2T，温度最高可达液氮温度(77K) 以上，实现稳定的量子化横向电导霍尔平台，大大的降低了量子电阻标准的门槛，有望在量子计量学中获得广泛应用。同时通过化学气象沉积等生长方法， CrOCl支撑的石墨烯体系可以实现大面积生长，因此，本发明将会带来成本更低，测量更简单的量子电阻标准，使石墨烯成为下一代量子计量设备的优秀材料体系。从而可以更加便利的使用量子电阻标准取代原来的电阻实物标准，成为新一代电阻基准。
附图说明
图1为实施例1制备器件的示意图和光学显微镜照片。其中，图a为示意图；图b为光学显微镜照片。
图2为位移场dD＝0.08V/nm，有效电荷掺杂浓度(由双栅电压和介电层定义)ntot＝1.8×1012cm-2时，纵向电阻Rxx和横向电阻Rxy随磁场的变化。
图3为位移场dD＝0.4V/nm，磁场B＝14T，纵向电阻Rxx和横向电阻Rxy随掺杂浓度的变化。
图4为磁场B＝14T，顶栅电压Vtg＝+-7V，T＝3K-150K范围，Rxx的mapping 图。取温度的截线，T＝3，20，40，60，80，100K下，v＝-2的量子霍尔平台。其中，图a为Rxx的mapping图；图b为T＝3，20，40，60，80，100K下，v＝-2 的量子霍尔平台。
具体实施方式
下面结合本发明实施例和附图，对本发明的技术方案进行具体、详细的说明。
实施例1
(1)借助PDMS/PPC结构，利用干法转印技术，将剥离在硅片上的h-BN 转移到PPC膜上。
(2)由于二维材料间存在范德瓦尔斯力，在光镜下将PPC和硅片上的材料对齐，利用干法转印技术，依次从硅片上拾取石墨烯和14nm的CrOCl。
(3)将PPC上的h-BN/石墨烯/CrOCl异质结重新落在预先蒸镀好的金底栅极的基片上，升温到120℃，将PPC融化掉，异质结留在基片的金底栅极上。
(4)利用电子束曝光、蒸镀，在石墨烯上制备金顶栅极。
(5)利用电子束曝光写出需要刻蚀的区域，借助反应离子刻蚀，对器件进行图形化，将石墨烯刻蚀成标准的Hall bar形状，方便进行量子霍尔效应的测试。利用电子束曝光，蒸镀，在石墨烯的Hall bar上外接出电极，制备器件的效果图和光镜照片如图1a，b所示。
(6)在PPMS中降温到3K对器件进行电学输运测量，通过双栅调控位移场dD＝0.08V/nm，有效电荷掺杂浓度ntot＝1.8×1012cm-2，扫描磁场-4至+4T，结果如图2，可以看到在0.2T的磁场下，v＝2的量子霍尔平台已经出现。
(7)通过双栅调控位移场dD＝0.4V/nm，磁场B＝14T，连续改变电荷掺杂浓度，结果如图3，可以看到在n＝8×1012cm-2的掺杂浓度下，还能很好的保持 v＝2的量子霍尔平台。
实施例2
(1)利用干法转印技术，借助PDMS/PPC结构，将剥离在硅片上的h-BN 转移到PPC膜上。
(2)依次从硅片上拾取石墨烯和30nm CrOCl，形成石墨烯/CrOCl的异质结体系。
(3)将PPC上的h-BN/石墨烯/CrOCl异质结重新落在预先蒸镀好的金底栅极的基片上，升温到120℃，将PPC融化掉，异质结留在基片的金底栅极上。
(4)利用电子束曝光、蒸镀，在石墨烯上制备金顶栅极。
(5)利用电子束曝光写出需要刻蚀的区域，借助反应离子刻蚀，对器件进行图形化，将石墨烯刻蚀成标准的Hall bar形状，并利用电子束曝光，金属蒸镀，在石墨烯的Hallbar上外接出电极。
(6)在PPMS中降温对器件进行电学输运测量，固定14T磁场，在顶栅电压Vtg＝+-7V，温度T＝3K-150K的参数空间进行电阻测量，结果如图4a，可以看到在120K时，依然观测到明显的量子霍尔效应，在图4a中取T＝3，20，40， 60，8，100K下Rxy随Vtg的变化，在100K时，v＝-2的量子霍尔平台依旧存在。
实施例3
(1)利用干法转印技术，借助PDMS/PPC结构，将剥离在硅片上的h-BN 转移到PPC膜上。
(2)依次从硅片上拾取CrOCl，石墨烯和CrOCl，形成CrOCl/石墨烯/CrOCl 的异质结体系。
(3)将PPC上的CrOCl/石墨烯/CrOCl异质结重新落在预先蒸镀好的金底栅极的基片上，升温到120℃，将PPC融化掉，异质结留在基片的金底栅极上。
(4)利用电子束曝光、蒸镀，在石墨烯上制备金顶栅极。
(5)利用电子束曝光写出需要刻蚀的区域，借助反应离子刻蚀，对器件进行图形化，将石墨烯刻蚀成标准的Hall bar形状，并利用电子束曝光，金属蒸镀，在石墨烯的Hallbar上外接出电极。
(6)低温电学输运测量与实施例1，实施例2类似，可以在更大的温度、磁场和门电压参数空间内，实现稳定的量子霍尔效应平台。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：
制备CrOCl支撑的石墨烯体系，通过栅压调控实现更高的参数空间里的量子霍尔效应平台，从而可以使用量子电阻标准取代原来的电阻实物标准，成为新一代电阻基准。
2.根据权利要求1所述的一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法，其特征在于：所述更高的参数空间具体为，磁场要求低至0.2T，温度最高可达液氮温度以上，即77K以上。
3.根据权利要求1所述的一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法，其特征在于：在所述的CrOCl支撑的石墨烯体系中，CrOCl可以在石墨烯的单侧或者两侧。
4.根据权利要求1所述的一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法，其特征在于：所述CrOCl的厚度在单层到50nm范围内。
5.根据权利要求1所述的一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法，其特征在于：所述CrOCl支撑的石墨烯体系，可以通过干法转印、湿法转印、化学气相沉积CVD生长类常规的器件制备方法得到。
6.根据权利要求1所述的一种CrOCl支撑的石墨烯量子霍尔平台定义标准电阻的方法，其特征在于：所述CrOCl支撑的石墨烯体系可以置于硅基底、宝石基底、石英基底、云母片、柔性基底。
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|---|---|---|---|---|
| CN115792381A (zh) * | 2022-11-24 | 2023-03-14 | 中国计量科学研究院 | 采用组合式量子霍尔电阻精密测量负载系数的装置及方法 |
| CN117098445A (zh) * | 2023-10-17 | 2023-11-21 | 北京东方计量测试研究所 | 一种低磁场砷化镓量子化霍尔电阻样品及其制作方法 |
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