【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著國(guó)際單位制的量子化變革，發(fā)展基于石墨烯的量子電阻標(biāo)準(zhǔn)器件和裝置逐漸成為研究熱點(diǎn)。提高量子電阻芯片中霍爾器件的集成密度是實(shí)現(xiàn)量子電阻多量值的關(guān)鍵。然而，霍爾器件尺寸的微縮是否會(huì)影響石墨烯基量子電阻的性能，成為該領(lǐng)域不可忽視的科學(xué)問(wèn)題。針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究團(tuán)隊(duì)在同一石墨烯單晶襯底上，制備了具有不同溝道寬度的霍爾器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，寬度減小會(huì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)完全量子化所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度升高。通過(guò)費(fèi)米速度測(cè)量與角分辨光電子能譜(ARPES)分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)能帶結(jié)構(gòu)的變化以及電子-電子相互作用是引起上述尺寸依賴(lài)效應(yīng)的主要原因。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合有限數(shù)據(jù)下的機(jī)器學(xué)習(xí)分析，確定了約360 μm的溝道寬度為電阻量值不確定度與提高器件集成度之間的優(yōu)化平衡點(diǎn)，并基于此成功制備出輸出量值為8.604 kΩ的石墨烯量子電阻陣列。相關(guān)研究成果以“Pronounced scale-dependent charge carrier density in graphene quantum Hall devices”為題，發(fā)表于期刊：(Materials Today Physics 59，101928 (2025) )。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)制備不同溝道寬度的石墨烯霍爾器件，并旋涂摻雜劑精確調(diào)控載流子類(lèi)型和密度。測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)石墨烯霍爾器件中的載流子密度隨溝道寬度變化呈現(xiàn)規(guī)律性差異：在電子摻雜條件下，載流子密度隨溝道寬度增加而降低；而在空穴摻雜條件下則相反。這一現(xiàn)象在溝道寬度≤400 μm時(shí)尤為明顯，直接影響了器件進(jìn)入量子化霍爾平臺(tái)所需的磁場(chǎng)閾值。
 

　　圖1、 不同溝道寬度石墨烯霍爾器件中載流子隨溝道寬度的變化情況。 a)石墨烯霍爾器件的光鏡照片；b) 不同摻雜條件下，載流子密度隨溝道寬度變化的曲線；c) 進(jìn)入量子霍爾平臺(tái)所需起始磁場(chǎng)與溝道寬度的關(guān)系。

 

　　為揭示其物理機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合輸運(yùn)測(cè)量與ARPES，發(fā)現(xiàn)器件尺寸變化會(huì)引致石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的細(xì)微重整化。費(fèi)米速度測(cè)量進(jìn)一步證實(shí)，電子-電子相互作用與尺寸效應(yīng)共同改變了狄拉克錐形狀，從而引起載流子密度隨尺寸變化?；诖艘?guī)律，團(tuán)隊(duì)采用支持向量回歸(SVR)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)溝道寬度等參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，確定約360 μm為電阻不確定度與集成密度間的最佳平衡點(diǎn)。據(jù)此成功制備輸出量值為8.604 kΩ的量子霍爾電阻陣列，該陣列在約±1.5 T磁場(chǎng)下即可進(jìn)入量子化平臺(tái)，并于85 μA電流下達(dá)到3.0×10??的最低不確定度。該工作揭示了石墨烯量子霍爾器件中載流子密度的顯著尺寸依賴(lài)效應(yīng)，為高性能、多量值的量子電阻器件設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵依據(jù)。值得一提的是，該團(tuán)隊(duì)在《功能材料與器件學(xué)報(bào)》近期發(fā)表的綜述(量子電阻研究進(jìn)展，1007-4252(2025)05-0001-13)中也指出，通過(guò)調(diào)研不同關(guān)于石墨烯基量子電阻的研究論文中器件尺寸與完全量子化所需磁場(chǎng)關(guān)系，并作統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：量子化磁場(chǎng)隨器件尺寸增加而減小，該調(diào)研結(jié)果隨進(jìn)一步佐證了本工作的發(fā)現(xiàn)。
 

　　圖2 、基于機(jī)器學(xué)習(xí)SVR模型預(yù)測(cè)的器件不確定度與摻雜濃度、電流、溝道寬度之間的關(guān)系圖。

 

圖3、 輸出量值為8.604 kΩ的量子電阻陣列的照片和高精度測(cè)量結(jié)果。
 

　　該研究工作第一單位為中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，論文第一作者為孔自強(qiáng)、馮宇、高晗和孫茹，通訊作者為上海微系統(tǒng)所王浩敏研究員和上?？萍即髮W(xué)柳仲楷研究員。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、上海市協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目以及上海市科委基金等多個(gè)項(xiàng)目的資助。