提高量子电阻芯片中霍尔器件的集成密度,是实现量子电阻多量值的关键。然而,霍尔器件尺寸微缩是否影响石墨烯基量子电阻性能,成为该领域亟待研究的科学问题之一。

针对上述问题,中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究团队,在同一石墨烯单晶衬底上,制备出具有不同沟道宽度的霍尔器件。实验结果表明,宽度减小导致实现完全量子化所需的磁场强度升高。研究团队通过费米速度测量与角分辨光电子能谱(ARPES)分析发现,能带结构变化和电子—电子相互作用是引起上述尺寸依赖效应的主要原因。团队进一步结合有限数据下的机器学习分析,确定了约360μm的沟道宽度,是电阻量值不确定度与提高器件集成度之间的优化平衡点,并基于此制备出输出量值为8.604kΩ的石墨烯量子电阻阵列。

团队通过制备不同沟道宽度的石墨烯霍尔器件,并旋涂掺杂剂,精确调控载流子类型和密度。测量结果发现,石墨烯霍尔器件中的载流子密度随沟道宽度变化呈现规律性差异,即在电子掺杂条件下,载流子密度随沟道宽度增加而降低;在空穴掺杂条件下,则相反。这一现象在沟道宽度≤400μm时尤为明显,直接影响了器件进入量子化霍尔平台所需的磁场阈值。

为揭示其物理机制,团队结合输运测量与ARPES,发现器件尺寸变化会导致石墨烯能带结构的细微重整化。费米速度测量进一步证实,电子—电子相互作用与尺寸效应共同改变了狄拉克锥形状,从而引起载流子密度随尺寸变化。基于此规律,团队采用支持向量回归(SVR)机器学习模型,对沟道宽度等参数进行协同优化,确定了约360μm为电阻不确定度与集成密度间的最佳平衡点,并据此制备输出量值为8.604kΩ的量子霍尔电阻阵列。该阵列在约±1.5T磁场下,即可进入量子化平台,并于85μA电流下,达到3.0×10⁻⁸的最低不确定度。

该研究揭示了石墨烯量子霍尔器件中,载流子密度的显著尺寸依赖效应,为高性能、多量值的量子电阻器件设计提供了关键依据。

近日,相关研究成果发表在Materials Today Physics上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、上海市等的支持。

不同沟道宽度石墨烯霍尔器件中载流子随沟道宽度的变化情况

基于机器学习SVR模型预测的器件不确定度与掺杂浓度、电流、沟道宽度之间的关系图

输出量值为8.604kΩ的量子电阻阵列照片和高精度测量结果