摘要：中科院上海微系统所王浩敏课题组采用化学气相沉积法在预处理碳化硅衬底表面实现气相催化辅助石墨烯生长，并以其成功制备高计量准确度的量子霍尔电阻标准芯片。
关键词：Advanced Materials Technologies, 量子电阻标准, 石墨烯, 碳化硅, 中国科学院上海微系统与信息技术所
电阻标准是电学计量的基石之一。为了适应国际单位制量子化变革和量值传递扁平化趋势，推动我国构建电子信息产业先进测量体系，补充国家量子化标准，开展电学计量体系中电阻的轻量级量子化复现与溯源关键技术研究至关重要。与传统砷化镓基二维电子气（2DEG）相比，石墨烯中的2DEG在相同磁场下量子霍尔效应低指数朗道能级间隔更宽，以其制作的量子霍尔电阻可以在更小磁场、更高温度和更大电流下工作，易于计量装备小型化。此外，量子电阻标准性能通常与石墨烯材料质量、衬底种类和掺杂工艺相关。目前在绝缘碳化硅衬底表面直接进行大面积高质量石墨烯制备是当前应用研究最为广泛的领域之一。如何通过克服绝缘衬底表面石墨烯成核密度、形貌与生长调控的瓶颈，获得高质量石墨烯单晶，并以此为基础，优化器件结构和工艺，开发出工作稳定且具有高比对精度的量子电阻标准芯片至关重要。
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所王浩敏课题组报道了以绝缘碳化硅衬底表面气相催化辅助石墨烯生长为基础，成功制备高计量准确度的量子霍尔电阻标准芯片的研究工作。研究人员首先采用氢气退火处理得到具有表面台阶高度约为0.5 nm的碳化硅衬底，此过程可以通过控制退火处理条件得到不同高度的台阶，然后以硅烷为气体催化剂，乙炔作为碳源，在1300°C条件下，在处理后的碳化硅表面生长出高质量的单层石墨烯。该温度条件下衬底表面台阶依然可以保持在0.5 nm以下。采用这种方法制备的石墨烯可以制成量子电阻标准器件，研究团队直接将该量子电阻标准器件集成于桌面式量子电阻标准器，在温度为4.5K且磁场大于4.5T时，量子电阻标准比对准确度达到1.15×10-8，长期复现性达到3.6×10-9。该工作提出了适用于电学计量的石墨烯基工程化、实用化的轻量级量子电阻标准实现方案，通过基于其量值的传递方法，可以满足不同应用场景下的电阻量值准确溯源的需求，补充国家计量基准向各个行业计量系统的量传链路。
图1. 石墨烯量子霍尔电阻标准器件及比对测量精度
图2. 合作自主研发的(a)桌面式量子霍尔电阻器及(b)电流比较仪
研究人员相信，此项研究将会推动标准化量子器件的小型化、轻量化发展，并为石墨烯等二维材料在电子器件领域的更广泛应用提供新的思路。相关研究成果以“Gaseous Catalyst Assisted Growth of Graphene on Silicon Carbide for Quantum Hall Resistance Standard Device”为题，在线发表在期刊Advanced Materials Technologies上。
论文信息：
Gaseous Catalyst Assisted Growth of Graphene on Silicon Carbide for Quantum Hall Resistance Standard Device
Lingxiu Chen#, HuiShan Wang#, Ziqiang Kong#, Changwei Zhai, Xiujun Wang, Yibo Wang, Zhengtai Liu, Chengxin Jiang, Chen Chen, Dawei Shen, Xipin Chen, Yuxuan Zhu, Wenzhong Bao, Zhenyu Yang, Yunfeng Lu*, Haomin Wang*
Advanced Materials Technologies
DOI: 10.1002/admt.202201127
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