鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法技术

本公开提供一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法，该鲁棒石墨烯量子霍尔器件包括：衬底、石墨烯层以及电极；衬底由下至上依次包括：第一绝缘层、二维电子气以及第二绝缘层；石墨烯层形成于第二绝缘层的上方；电极形成于第二绝缘层的上方且与石墨烯层接触。本公开提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法制备出的器件结构简单，所需调控电压极低。与传统量子霍尔器件相比，无论在生产成本、运行环境要求、功耗方面都占据了明显优势。

Robust Graphene Quantum Hall Device and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法
本公开涉及微电子
，尤其涉及一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法。
技术介绍
从1990年开始，国际上开始启用基于量子霍尔效应的的量子化电阻基准。但是传统二维电子气量子霍尔效应的实现往往依赖于极低温、强磁场的测试环境，严苛的条件极大地限制了量子化霍尔电阻基准的向外传递、分发校准的实用化进程。近年来，具有极高迁移率的二维材料石墨烯有望替代传统的高迁移率二维电子气，制备成可以在更高温度、更低磁场条件下工作的量子霍尔元器件。如果能够将其工作温度提升到液氮温度以上(＞77K)、磁场降低到商用磁体范围(＜14T)，将大幅降低成本，对高精度电源和电子学器件/设备的研制和校准无疑具有显著的价值。公开内容(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法，以缓解现有技术中的量子霍尔元器件无法在液氮温度以上，商用磁体范围的工作环境中工作的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件，包括：衬底，其由下至上依次包括：第一绝缘层、二维电子气以及第二绝缘层；石墨烯层，形成于所述第二绝缘层的上方；以及电极，形成于所述第二绝缘层的上方且与所述石墨烯层接触。在本公开的一些实施例中，所述二维电子气的有效厚度小于10nm。在本公开的一些实施例中，所述二维电子气为氧化物界面二维电子气；优选地，所述第一绝缘层为钛酸锶，所述第二绝缘层为铝酸镧，所述二维电子气为铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气。在本公开的一些实施例中，所述电极的材料与所述二维电子气功函数相差在2eV以上，在本公开的一些实施例中，所述电极的材料包括：钛、钯以及金中的至少一种。在本公开的一些实施例中，其中：所述第二绝缘层的相对介电常数大于10，其厚度介于2nm至10nm之间；优选地，所述第二绝缘层为：厚度为5个原子层，相对介电常数大于20的铝酸镧。在本公开的一些实施例中，所述石墨烯层的表面覆盖有第三绝缘层。在本公开的一些实施例中，所述第三绝缘层的材质为六方氮化硼。根据本公开的另一个方面，还提供一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件的制备方法，包括：步骤A：制备衬底，该衬底由下至上依次包括：第一绝缘层、二维电子气以及第二绝缘层；步骤B：在步骤A得到的衬底上形成石墨烯层；步骤C：在步骤B得到的石墨烯层上制备电极形成量子霍尔器件。在本公开的一些实施例中，所述步骤B中，在所述衬底上形成所述石墨烯层的方法包括：使用机械剥离法直接在目标衬底上形成；或使用机械剥离法或化学气象沉积法形成于其它衬底，再通过干法转移技术将石墨烯层转移至目标衬底。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：(1)本公开提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件且器件结构简单，所需调控电压极低。与传统量子霍尔器件相比，无论在生产成本、运行环境要求、功耗方面都占据了明显优势；(2)本公开提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件的制备方法，通过优选功能性衬底材料，极大地提升了石墨烯器件的性能，增强其量子霍尔效应的鲁棒性，大幅降低量子霍尔效应实现所需的环境条件(可在磁感应强度不高于7T，工作温度不低于100K的条件下，到达第2量子平台)。附图说明图1为本公开实施例提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件的结构示意图。图2至图4为本公开实施例提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件的制备方法的步骤示意图。图5为本公开实施例制得的鲁棒石墨烯量子霍尔器件在温度100K、磁感应强度7T环境下测试霍尔电导随栅压调控的结果图。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】10-衬底；11-第一绝缘层；12-二维电子气；13-第二绝缘层；20-石墨烯层；30-电极。具体实施方式本公开提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件及其制备方法极大地提升了石墨烯器件的性能，增强其量子霍尔效应的鲁棒性，大幅降低量子霍尔效应实现所需的环境条件。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。根据本公开的一个方面，提供一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件，如图1所示，包括：衬底10、石墨烯层20以及电极30；衬底10由下至上依次包括：第一绝缘层11、二维电子气12以及第二绝缘层13；石墨烯层20形成于第二绝缘层13的上方；电极30形成于第二绝缘层13的上方且与石墨烯层20接触。本公开实施例提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件且器件结构简单，所需调控电压极低。与传统量子霍尔器件相比，无论在生产成本、运行环境要求、功耗方面都占据了明显优势。在本公开的一些实施例中，二维电子气12的有效厚度小于10nm。在本公开的一些实施例中，衬底10为氧化物异质结，二维电子气12为氧化物界面二维电子气。优选地，第一绝缘层11为钛酸锶，第二绝缘层13为铝酸镧，二维电子气12为铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气。在本公开的一些实施例中，电极30的材料与二维电子气12功函数相差在2eV以上，例如：对于铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气，电极的材料包括：钛、钯以及金中的至少一种，可实现极小操作电压的石墨烯载流子浓度大范围调控(＜0.5V2*1012cm-2)，且保证操作电压范围内的层间绝缘性(＜10nA)。在本公开的一些实施例中，其中：第二绝缘层13的相对介电常数大于10，其厚度介于2nm至10nm之间。优选地，第二绝缘层13为：厚度为5个原子层，相对介电常数大于20的铝酸镧，其中，电极的功函数＞5.0eV，5uc-LAO/STO(5unitcell-Lanthanumaluminumoxide/strontiumtitanateoxide，5原子层厚度铝酸镧/钛酸锶)功函数为3eV。在本公开的一些实施例中，石墨烯层20的表面覆盖有第三绝缘层。在本公开的一些实施例中，第三绝缘层的材质为六方氮化硼(hexagonalboronnitride-六方氮化硼)。通过设置第三绝缘层可以避免石墨烯层20与外界环境直接接触，对石墨烯层20起屏蔽作用，进一步提高石墨烯的迁移率。特别对于氮化硼，可以利用石墨烯与氮化硼之间的范德瓦尔斯力，产生自清洁功能，将石墨烯表面原有杂质凝聚，减少石墨烯中杂质散射对电子输运的影响。根据本公开的另一个方面，还提供一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件的制备方法，包括：步骤A：如图2所示，制备衬底10，该衬底10由下至上依次包括：第一绝缘层11、二维电子气12以及第二绝缘层13；步骤B：如图3所示，在步骤A得到的衬底10上形成石墨烯层20；步骤C：如图4所示，在步骤B得到的石墨烯层20上制备电极30形成量子霍尔器件，本公开实施例提供的鲁棒石墨烯量子霍尔器件的制备方法，通过优选功能性衬底材料，极大地提升了石墨烯器件的性能，增强其量子霍尔效应的鲁棒性，大幅降低量子霍尔效应实现所需的环境条件(可在磁感应强度不高于7T，工作温度不低于100K的条件下，到达第2量子平台)。在本公开的一些实施例中，步骤B中，使用机械剥离法直接在衬底10上形成石墨烯层20。在本公开的一些实施例中，步骤B中，使用机械剥离法或化学气象沉积法在其它衬底上形成石墨烯层，再通过干法转移技术将石墨烯层转移至衬底10。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例提供的鲁棒石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件，包括：衬底，其由下至上依次包括：第一绝缘层、二维电子气以及第二绝缘层；石墨烯层，形成于所述第二绝缘层的上方；以及电极，形成于所述第二绝缘层的上方且与所述石墨烯层接触。

【技术特征摘要】
1.一种鲁棒石墨烯量子霍尔器件，包括：衬底，其由下至上依次包括：第一绝缘层、二维电子气以及第二绝缘层；石墨烯层，形成于所述第二绝缘层的上方；以及电极，形成于所述第二绝缘层的上方且与所述石墨烯层接触。2.根据权利要求1所述的鲁棒石墨烯量子霍尔器件，所述二维电子气的有效厚度小于10nm。3.根据权利要求1所述的鲁棒石墨烯量子霍尔器件，所述二维电子气为氧化物界面二维电子气；优选地，所述第一绝缘层为钛酸锶，所述第二绝缘层为铝酸镧，所述二维电子气为铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气。4.根据权利要求3所述的鲁棒石墨烯量子霍尔器件，所述电极的材料与所述二维电子气功函数相差在2eV以上。5.根据权利要求3所述的鲁棒石墨烯量子霍尔器件，所述电极的材料包括：钛、钯以及金中的至少一种。6.根据权利要求1所述的鲁棒石墨烯量子霍尔器件，其中：所述第二绝缘层的相对介电常数...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾长淦，陶然，李林，严跃冬，朱丽君，郭林海，范晓东，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34