Graphene production for electrical metrology

• Autorzy: Elmquist R. E. , Shen T. , Jones G. R. j. , Hernandez-Marquez F. L. , Real M. A. , Newell D. B.

Warianty tytułu

PL

Wytwarzanie grafenu na potrzeby metrologii elektrycznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Many material and electronic contributions must be favorable to produce devices with strong quantum Hall effect (QHE) plateaus that are suitable for precise resistance metrology. Even so, metrologically interesting QHE plateaus have been observed in semiconductor heterostructures and in graphene carbon-monolayer based devices fabricated using a variety of different synthesis processes. In graphene devices the QHE has been observed even at room temperature, well above the temperature at which quantum behavior disappears in the best conventional semiconductor-based devices. We are developing the capability to synthesize graphene as an epitaxial layer on SiC and describe some of the necessary conditions, including selection and preparation of the substrate, synthesis environment, and temperature. Our intent is to make available graphene devices for electrical metrology that can operate over a wide range of current and temperature at relatively weak magnetic fields, and to provide subsequent device characterization for primary standards of electrical resistance based on monolayer graphene. Measurements of the plateau flatness and temperature dependence of the Hall resistance in GaAs-AIGaAs heterostructures and a chemical vapor deposition (CVD)-grown graphene monolayer device are presented.

PL

Produkcja wielu materiałów oraz podzespołów elektronicznych wymaga stosowania próbek (elementów) z wyraźnym plateau kwantowego efektu Halla (QHE), wykorzystywanych w precyzyjnej metrologii rezystancji. Oprócz tego interesujące z punktu widzenia metrologii plateau QHE zaobserwowano w próbkach wykonanych ze heterostruktur półprzewodnikowych oraz z grafenu - węgla w postaci warstwy o grubości jednego atomu, wytwarzanych przy użyciu róinych procesów syntezy. W próbkach grafenowych zjawisko QHE zaobserwowano nawet w temperaturze pokojowej, znacznie powyżej temperatury, w której właściwości kwantowe zanikają nawet w najlepszych konwencjonalnych półprzewodnikowych próbkach QHE. W naszych badaniach doskonalimy metody wytwarzania grafenu w postaci warstwy epitaksjalnej na podłożu SiC. Opisujemy tu niektóre z niezbędnych warunków wytwarzania, zatem wybór i przygotowanie podłoża, środowiska syntezy oraz temperaturę. Naszym celem jest udostępnienie metrologii elektrycznej próbek grafenowych, które będą mogły pracować w szerokim zakresie prądów i temperatury, w stosunkowo słabych polach magnetycznych oraz opis charakterystyk tych próbek, które są wykorzystywane jako podstawowe wzorce oporu elektrycznego a wykonane w postaci warstwy grafenu o grubości jednego atomu. Prezentujemy pomiary płaskości plateau i zależności temperaturowej oporu Halla w próbkach wykonanych z heterostruktury GaAs-AIGaAs oraz z jednoatomowej warstwy grafenu osadzonej chemicznie metodą CVD (chemical vapor deposition).

Słowa kluczowe

EN

quantum Hall effect; chemical vapor deposition ect; graphen; QHE standard

PL

kwantowy efekt Halla; grafen; wzorzec QHE

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 52, nr 6
• Strony: 22--25
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., wykr.

Twórcy

autor

Elmquist R. E.

autor

Shen T.

autor

Jones G. R. j.

autor

Hernandez-Marquez F. L.

autor

Real M. A.

autor

Newell D. B.

• National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, USA

Bibliografia

• [1] Hartland T.: The quantum Hall effect and resistance standards. Metrologia 29, 2, 175-190 (1992).
• [2] Tsui D. C., A. C. Gossard, B. F. Field, M. E. Cage, R. F. Dziuba: Determination of the fine-structure constant using GaAs/ AlxGa(1-x)As heterostructures. Phys. Rev. Lett. 48, 3-6 (1982).
• [3] Blick L., E. Braun, F. Melchert, P. Warnecke, W. Schlapp, G. Weimann, K. Ploog, G. Ebert, G. E. Pepper: High precision measurements of the quantized Hall resistance at the PTB. IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-34, 304-5 (1985).
• [4] Delahaye F., D. Dominguez, F. Alexandre, J. P. Andre, J. P. Hirtz, M. Razeghi: Precise quantized Hall resistance measurements in GaAs/AlxGa(1-x) As and InxGaAs(1-x)/InP heterostructures. Metrologia 22, 103-110 (1986).
• [5] Klaus Pierz, Bernd Schumacher: Fabrication of quantum Hall devices for low magnetic fields. IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 2, 293-295 (1999).
• [6] Inglis A. D., I. Minowa: Fabrication of precision quantized Hall devices. IEEE Trans. Instrum. Meas. 46, 2, 281-284 (1997).
• [7] Novoselov K. S., D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V. Khotkevich, S. V. Morozov, A. K. Geim: Two dimensional atomic crystals. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10451-10453 (2005).
• [8] Johannes Jobst, Daniel Waldmann, Florian Speck, Roland Hirner, Duncan K. Maude, Thomas Seyller, Heiko B. Weber: Quantum oscillations and quantum Hall effect in epitaxial grapheme. Phys. Rev. B 81, 195434 (2010).
• [9] Janssen T. J. B. M., A. Tzalenchuk, R. Yakimova, S. Kubatkin, S. Lara-Avila, S. Kopylov, V. I. Fal'ko: Pinning of the n = 2 quantum Hall state in epitaxial grapheme. arXiv:1009.3450v2 [cond-mat.mes-hall].
• [10] Luxmi, N. Srivastava, Guowei He, R. M. Feenstra, P. J. Fisher: Comparison of graphene formation on C-face and Si-face SiC {0001} surfaces. Phys. Rev. B 82, 235406 (2010).
• [11] Gregory M. Rutter, Nathan P. Guisinger, Jason N. Crain, Phillip N. First, Joseph A. Stroscio: Edge structure of epitaxial graphene islands. Phys. Rev. B 81, 245408 (2010).
• [12] Delahaye F., B. Jeckelmann: Revised technical guidelines for reliable dc measurements of the quantized Hall resistance. Metrologia 40, 217-223 (2003).
• [13] Peter Sutter: Epitaxial graphene: How silicon leaves the scene. Nature Mater. 8, 171 (2009).
• [14] Akio Takatsuka, Yasunori Tanaka, Koji Yano, Tsutomu Yatsuo, Yuuki Ishida, Kazuo Arai: Shape Transformation of 4H-SiC Microtrenches by Hydrogen Annealing. Jpn. J. Appl. Phys. 48, 041105 (2009).
• [15] Ramachandran V., A. R. Smith, R. M. Feenstra, D. W. Greve: Preparation of atomically flat surfaces on silicon carbide using hydrogen etching. J. Electron. Mater. 27, 4, 308-312 (1998).
• [16] Konstantin V. Emtsev, Aaron Bostwick, Karsten Horn, Johannes Jobst, Gary L. Kellogg, Lothar Ley, Jessica L. McChesney, Taisuke Ohta5, Sergey A. Reshanov, Jonas Röhrl, Eli Rotenberg, Andreas K. Schmid, Daniel Waldmann, Heiko B. Weber, Thomas Seyller: Towards wafer-size graphene layers by atmospheric pressure graphitization of silicon carbide. Nature Mater. 8, 203-207 (2009).
• [17] Varchon F., R. Feng, J. Hass, X. Li, B. Ngoc Nguyen, C. Naud, P. Mallet, J.-Y. Veuillen, C. Berger, E. H. Conrad, L. Magaud: Electronic structure of epitaxial graphene layers on SiC: effect of the substrate. Phys. Rev. Lett. 99, 126805 (2007).
• [18] Sonde S., F. Giannazzo, J.-R. Huntzinger, A. Tiberj, M. Syväjärvi, R. Yakimova, V. Raineri, J. Camassel: Uniformity of Epitaxial Graphene on On-axis and Off-axis SiC Probed by Raman Spectroscopy and Nanoscale Current Mapping. Mater. Sci. For., 645-648, 607-610 (2010).
• [19] Wei Pan, Stephen W. Howell, Anthony Joseph Ross, III, Taisuke Ohta, Thomas A. Friedmann: Observation of the integer quantum Hall effect in high quality, uniform wafer-scale epitaxial graphene films. Appl. Phys. Lett. 97, 252101 (2010).
• [20] Jung S., G. M. Rutter, N. N. Klimov, D. B. Newell, I. Calizo, A. R. Hight-Walker, N. B. Zhitenev, J. A. Stroscio: Evolution of microscopic localization in graphene in a magnetic field from scattering resonances to quantum dots. Nature Phys., Published Online: 9 Jan. 2011, DOI: 10.1038/NPHYS1866.
• [21] Elmquist R. E., N. M. Zimmerman, E. Hourdakis, D. G. Jarrett: Direct Resistance Comparisons from the QHR to 100 Megohm Using a Cryogenic Current Comparator. IEEE Trans. Instrum. Meas. 54, 2, 524-528 (2005).
• [22] Bierzychudek M. E., R. E. Elmquist: Uncertainty Evaluation in a Two-terminal Cryogenic Current Comparator Bridge. IEEE Trans. Instrum. Meas. 58, 4, 1170-1175 (2009).
• [23] Delahaye F.: Series and parallel connection of multiterminal quantum Hall effect devices. J. Appl. Phys. 73, 7915-7920 (1993).
• [24] Jeffery A., R. E. Elmquist, M. E. Cage: Precision Tests of a Quantum Hall Effect Device Dc Equivalent Circuit Using Double-Series and Triple-Series Connections. J. Res., Natl. Inst. Stand. Technol. 100, 6, 677-685 (1995).
• [25] Schopfer F., W. Poirier: Testing universality of the quantum Hall effect by means of the Wheatstone bridge. J. Appl. Phys. 102, 054903 (2007).
• [26] Cao H., Q. Yu, L. A. Jauregui, J. Tian, W. Wu, Z. Liu, R. Jalilian, D. K. Benjamin, Z. Jiang, J. Bao, S. S. Pei, Yong P. Chen: Electronic transport in chemical vapor deposited graphene synthesized on Cu: Quantum Hall effect and weak localization. Appl. Phys. Lett. 96, 122106 (2010).
• [27] Coletti C., C. Riedl, D. S. Lee, B. Krauss, L. Patthey, K. von Klitzing, J. H. Smet, U. Starke1: Charge neutrality and band-gap tuning of epitaxial graphene on SiC by molecular doping. Physical Review B 81, 235401 (2010).
• [28] Lara-Avila S., K. Moth-Poulsen, R. Yakimova, T. Bjǿrnholm, V. Fal'ko, A. Tzalenchuk, S. Kubatkin: Non-Volatile Photochemical Gating of an Epitaxial Graphene/Polymer Heterostructure. Adv. Mater. 2011, XX, 1-5 (2010).