Elektronika 2012-04 I.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych ...

Kwantowy efekt Hall’a w epitaksjalnym grafenieotrzymanym w ITMEprof. dr hab. Lech Dobrzański 1) , dr Włodzimierz Strupiński 1) , mgr Rafał Stankiewicz 1) ,dr Marta Borysiewicz 2) , mgr Krzysztof Góra 1) , mgr Andrzej Kozłowski 1) ,mgr Beata Stańczyk 1)1)Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa, 2) Instytut Fizyki Doświadczalnej UW, WarszawaTechnologia i konstrukcja struktury badawczejWarstwy grafenu otrzymano w ITME oryginalną opatentowanąmetodą wzrostu epitaksjalnego [1] na podłożu z węglika krzemufirmy Cree. Wzrost warstw był prowadzony na wypolerowanejstronie krzemowej płytki 4H-SiC o orientacji krystalograficznej(0001).Struktura do pomiaru efektu Hall’a została wykonana metodąfotolitografii i trawienia warstwy grafenu w plazmie tlenowej. Metalizacjakontaktów składała się z dwóch warstw Ti/Au o grubościachodpowiednio 5/200 nm. Wzór metalizacji powstał w wynikufotolitografii odwrotnej (lift off ). Konstrukcję struktury przedstawionona rys. 1.Rys. 1. Struktura badawcza do pomiaru efektu Hall’aFig. 1. Hall bar test structurePrzepływ prądu wymuszano pomiędzy kontaktami 1-5. Szerokośćrezystora wynosi 20 µm, a jego długość 240 µm.W przedstawionej strukturze jest możliwy pomiar napięciaHall’a pomiędzy kontaktami 3-7, 2-8, 4-6. Magnetorezystancjęmożna określić przez pomiar napięć pomiędzy kontaktami 2-4,6-8, 8-7, 7-6, 2-3, 3-4.Wektor indukcji magnetycznej jest prostopadły do płaszczyznyrysunku.PomiaryPomiary efektu Hall’a w temperaturze ciekłego helu wykonanow IFD UW. Zastosowano pole magnetyczne o natężeniu do 7T.WynikiW temperaturze 4,2K dla małych wartości pola magnetycznegookreślono koncentrację elektronów w strukturze na poziomie2…2,2 × 10 11 cm -3 oraz ich ruchliwość na poziomie2700…3000 cm 2 /(V s).Na rysunku 2 przedstawiono zmierzoną zależność rezystancjiHall’a oraz rezystancji ρ XXod wartości indukcji magnetycznej.Zależność ta nie jest liniowa tak jak w przypadku klasycznegoefektu Hall’a. Dla wartości pola większej niż 4T i mniejszej niż-4T rezystancja Hall’a ma stałą wartość równą ½ stałej vonKlitzing’a R K= h/e 2 = 25812,807572 Ω z błędem mniejszym niżniż 10 -4 . Ponadto odchylenie standardowe wyników pomiaróww omawianym zakresie pola magnetycznego jest również mniejszeniż 10 -4 .Elektronika 4/2012Wartość rezystancji ρ XXw tym zakresie pól spada, jednak niedo zera, a do wartości ok. 0,1R K. Zmiana nachylenia wykresu ρ XYna rys. 2 dla wartości pola ok. ±2T ma miejsce dla wartości rezystancjirównej 1/6 R K.Na rysunku 3 przedstawiono wynik pomiaru innej struktury wykonanejna tej samej płytce SiC. Przy wartości rezystancji 1/6 R Kwystępuje wyraźna półka.ρ XX , ρ XY / ( h / e 2 )0.60.40.20.0-0.2-0.4-0.6T=4.2K-0.500270.49996ρ XYρ XX-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8B ( T )Rys. 2. Pomiar rezystancji Hall’a i rezystancji ρ XX. Podano średniewartości rezystancji Hall’a dla indukcji magnetycznej │B│> 4TFig. 2. Measured Hall and ρ XXresistances. The average values of Hallresistance for magnetic field values │B│> 4T are reportedρ XX, ρ XY/ (h/e 2 )0.7 ρ XX0.6ρ XY0.50.40.30.20.10.01 / 21 / 60 1 2 3 4 5 6 7 8B ( T )T=4.2KRys. 3. Pomiar rezystancji ρ XYi ρ XX. Zaznaczono charakterystycznewartości rezystancji Hall’a 1/2R Koraz 1/6R KFig. 3. Measured ρ XYand ρ XXresistances. The characteristic values1/2R Kand 1/6R Kof Hall resistance are indicatedOmówienie wynikówW tabeli przedstawiono zależności określające położenie poziomówLandau’a i rezystancji Hall’a dla trzech przypadków strukturz dwuwymiarowym gazem elektronowym. Von Klitzing otrzymałnagrodę Nobla (1985) za odkrycie kwantowego efektu Hall’aw hetrostrukturach epitaksjalnych z dwuwymiarowym gazemelektronowym [4]. Kwantowy efekt pojawił się w związku z dege-