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Nat.Electron.:突破性进展——零磁场下的量子电阻标准达到十亿分之一精度

电子信息材料及器件  · 公众号  ·  · 2024-12-08 20:30

正文

摘要:

量子反常霍尔效应(QAHE)在计量学领域具有潜在的应用价值,因为它提供了在零外部磁场下以冯·克利青常数(RK = h/e^2,其中h是普朗克常数,e是基本电荷)为单位的霍尔电阻量化的途径。然而,实现这一效应的观测是具有挑战性的,因为它需要极低的温度(通常低于50毫开尔文)和极低的偏置电流(通常低于1微安)。在本研究中,报告了 基于磁性拓扑绝缘体V掺杂(Bi,Sb)2Te3的器件在量子反常霍尔效应状态下的霍尔电阻量化测量。 展示了在零外部磁场下, 霍尔电阻相对于RK的相对偏差在测量电流外推至零时为(4.4 ± 8.7) nΩ Ω−1,在外推至零纵向电阻时为(8.6 ± 6.7) nΩ Ω−1(每个都带有合并标准不确定性,k = 1)。 这种在nΩ Ω−1水平(或10^-9的相对不确定性)上的精度和准确性达到了相关计量学应用所需的阈值,并建立了零外部磁场下的量子电阻标准,这对于将基于量子的电压和电阻标准整合到单一的通用量子电学参考中是必要的。

实验方法:

1. 材料生长:

- 使用分子束外延(MBE)技术在氢气钝化处理的硅(Si)基底上生长了9纳米厚的V掺杂拓扑绝缘体(TI)V0.1(Bi0.2Sb0.8)1.9Te3层。

- 该层被10纳米厚的绝缘性碲(Te)层覆盖。

- 层的厚度和组成通过X射线反射率和X射线衍射以及能量色散X射线光谱学测量确定。


2. 器件制备:

- 使用标准光刻技术制造霍尔条器件,器件宽度为200微米,长度为730微米。

- 通过局部移除Te帽层,并在高真空条件下通过电子束蒸发沉积金锗/钛/金的金属层来形成欧姆接触。

- 设备配备了由20纳米的氧化铝(AlOx)和2纳米的氧化铪(HfOx)组成的顶栅,以及100纳米的钛/金层,分别通过原子层沉积和电子束蒸发沉积。


3. 数据收集:

- 在零外部磁场下(除了用于建立磁化方向的磁场扫描表征测量),通过终端1和8施加电流(I),并测量从2到7的各种终端对之间的电压。

- 所有数据都是在稀释制冷机的基底温度(约34毫开尔文)下收集的。


4. 测量设备和方法:

- 使用标准的锁定技术收集数据,霍尔电阻Rxy在外部磁场扫描时测量,使用5纳安(均方根)的交流电流激励,频率为13.7赫兹,栅极电压UGate为5.8伏。

- 使用14位的低温电流比较器(CCC)进行精密测量,与早期QAHE测量中使用的12位CCC相比,其线圈的匝数增加了约四倍。

- 使用超导量子干涉装置(SQUID)耦合到CCC线圈,检测由I1和I2电流在N1和N2匝数的线圈中产生的净通量。

- 通过反馈回路控制I2,使得两个电阻的比值近似等于电流I1到I2的反比,也就是N1到N2的反比。

- 通过辅助绕组NA输入一个确定的电流rI1,以改善桥的平衡,使桥电压差U接近零。


5. 测量精度和稳定性:

- 使用Allan偏差来评估测量的CCC信号随时间的稳定性,Allan偏差图显示了在160纳安电流下5小时测量的桥读数ΔU(桥电压U的一系列测量中电流方向交替时的平均差异)。

- 通过测量每个接触对的192个测量周期(64分钟)来生成数据,电流范围从40到320纳安。


6. 数据分析:

- 分析了测量的电阻信号与RK的相对偏差ΔR/RK作为施加电流的函数。

- 通过对角线和正交接触对的信号表示霍尔和纵向电压的总和,因此通过计算测量的对角线和正交信号之间的差异来确定纵向电压。

- 计算了高电位边缘和低电位边缘的纵向电阻率ρxx,并绘制了作为测量电流I的函数的ρxx数据。


7. 不确定性分析:

- 提供了一个完整的不确定性预算,并在补充信息部分详细讨论。

创新点:

1. 零外部磁场下的量子电阻标准:







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