關(guān)于電阻量子基準(zhǔn)研究

1、劉乙霖劉乙霖 周鑫培周鑫培 孔凱孔凱 李丹李丹 劉晉煒劉晉煒 周琦周琦9-1-3-7關(guān)于電阻量子基準(zhǔn)的研究量子化霍爾器件量子化霍爾器件低溫電流比較儀低溫電流比較儀我國(guó)的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的建立我國(guó)的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的建立 量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)研究的背景及發(fā)展量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)研究的背景及發(fā)展1234 為什么要研制量子霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)？ 在量子霍爾電阻研制之前，世界上普遍使用的是實(shí)物電阻標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)物電阻標(biāo)準(zhǔn)和其相比，有以下缺點(diǎn)：1、有一些不易控制的物理、化學(xué)過(guò)程使其特性發(fā)生緩慢的變化。2、實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)只有一個(gè)，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭(zhēng)或其他原因意外損壞， 就無(wú)法完全一模一樣地復(fù)制出來(lái)，原來(lái)連續(xù)保存的單位量值也會(huì)

2、因之中斷。一、背景及發(fā)展 量子霍爾電阻的形成與發(fā)展 20世紀(jì)80年代中根據(jù)德國(guó)物理學(xué)家馮.克里青的重大發(fā)現(xiàn)研制成了量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)。 經(jīng)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)推薦1990 年1月1日起在世界范圍內(nèi)啟用量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)代替使用了幾十年的電阻實(shí)物基準(zhǔn) 給出的量子化霍爾電阻的推薦值為 Rk=h/ e2 =25812.807一、背景及發(fā)展 實(shí)驗(yàn)證明，采用量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)后,電阻單位量值的復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度及國(guó)際一致性比用實(shí)物計(jì)量基準(zhǔn)時(shí)提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。而且從根本上消除了電阻單位的量值隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。一、背景及發(fā)展二.量子化霍爾器件 什么是量子化霍爾器件？ 當(dāng)把此器件通入溝道電流I,并放入強(qiáng)磁場(chǎng)Bz中時(shí),器

3、件的兩個(gè)側(cè)邊之間將產(chǎn)生霍爾電壓Vh。如再使器件的溫度降到絕對(duì)零度附近，器件中霍爾電壓就出現(xiàn)“量子化”的特征。 然后得到器件的特性曲線。 其中的RK就是式(1)中的馮克里青常數(shù)，i為平臺(tái)的編號(hào)數(shù)(實(shí)際上為量子力學(xué)中電子在磁場(chǎng)中的回轉(zhuǎn)能級(jí)-朗道能級(jí)的編號(hào)數(shù))，因而是一個(gè)正整數(shù)。 對(duì)于用砷化鎵-鋁砷化鎵異質(zhì)結(jié)材料制作的量子化霍爾器件，第2個(gè)朗道能級(jí)平臺(tái)處可得到最準(zhǔn)確的量子化霍爾電阻量值，此時(shí)的量子化霍爾電阻值為 RH=1/225812.807=12906.4035三、低溫電流比較儀的應(yīng)用按國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的建議，世界各國(guó)均用Rk=h/e2=25812.807表示的量子化霍爾電阻的推薦值。使用砷化鎵-鋁

4、砷化鎵異質(zhì)結(jié)材料的量子化霍爾器件時(shí)，則用RH=1/225812.807中的量子化霍爾電阻量值。為了便于開(kāi)展檢定工作，應(yīng)把式中的非整數(shù)的量子化霍爾電阻值傳遞到通常的十進(jìn)制電阻值。 原理及結(jié)構(gòu)圖低溫電流比較儀的比例線圈是由超導(dǎo)線繞成的，不平衡磁通則由超導(dǎo)量子干涉器(英文縮寫為SQUID)進(jìn)行檢測(cè)。超導(dǎo)線圈以及SQUID需在接近絕對(duì)零度的低溫環(huán)境下才能工作，因此低溫電流比較儀需放入杜瓦瓶中，并充以液氦，方能正常工作。 低溫電流比較儀的平衡方程I1W1+I2W2=0。如平衡方程未能得到完全滿足，則此式成為I1W1+I2W2=其中表示安匝數(shù)的不平衡量。此不平衡量為圖1中標(biāo)為L(zhǎng)的線圈檢測(cè)到以后送入超導(dǎo)量子

5、干涉器(SQUID)的輸入線圈Li，再經(jīng)SQUID及后續(xù)的電子線路放大，去調(diào)節(jié)電橋中的從動(dòng)電流源，使平衡方程得到滿足。比較量子化霍爾電阻與100電阻量值的電橋 但是一般情況下等式左右兩邊仍然不能相等。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明這主要是由于放置低溫電流比較儀的杜瓦瓶中的液氦不斷沸騰導(dǎo)致瓶中氣壓波動(dòng)而引起的。從式中可看到如能增加此式中的有用信號(hào)I1W1和I2W2，誤差項(xiàng)中隨機(jī)分量的相對(duì)影響也能縮小，即信噪比可以增加。因此增加低溫電流比較儀的安匝數(shù)，即增加繞組中的電流或增加繞組匝數(shù)也能有效地改善測(cè)量準(zhǔn)確度，但是當(dāng)?shù)蜏仉娏鞅容^儀用于比較電阻時(shí)繞組中的電流并不能隨意增加，因?yàn)槔@組中的電流同時(shí)也通過(guò)被測(cè)電阻電流過(guò)大會(huì)引起電

6、阻發(fā)熱而導(dǎo)致新的測(cè)量誤差。四、我國(guó)在電阻量子基準(zhǔn)領(lǐng)域的成就 量子化霍爾電阻基準(zhǔn)由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院?jiǎn)挝煌瓿蓵r(shí)量子化霍爾電阻基準(zhǔn)是電學(xué)單位安培、溫度單位開(kāi)爾文、質(zhì)量單位千克三個(gè)國(guó)際單位制基本單位的依據(jù)。對(duì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)有著根本性的重要意義。并可為電力、電子、冶金、醫(yī)療、航空航天、建筑等部門提供準(zhǔn)確的測(cè)量溯源數(shù)據(jù)，促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量快速提高。同時(shí)為我國(guó)打破技術(shù)壁壘TBT，提高我國(guó)相關(guān)產(chǎn)品（特別是超高精密儀器）的質(zhì)量和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，出口方面爭(zhēng)取有利地位有重要作用。 該項(xiàng)目有多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新： 1.在國(guó)際上首次從理論上證明了任意形狀的霍爾器件量子化時(shí)均滿足普適公式，降低了對(duì)工藝的要求，用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的工藝

7、條件研制成功高質(zhì)量的量子化霍爾電阻器件。 2.大幅度提高低溫電流比較儀電橋的信噪比和穩(wěn)定性，研制成功高準(zhǔn)確度的測(cè)量設(shè)備?？傮w信噪比提高十倍。 3.發(fā)明了一種“對(duì)測(cè)量設(shè)備在實(shí)際工作狀態(tài)下進(jìn)行整體校驗(yàn)的技術(shù)”，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 該項(xiàng)目課題組發(fā)明了以上國(guó)外尚未掌握的核心技術(shù)，建成量子化霍爾電阻裝置。經(jīng)過(guò)三種嚴(yán)格的國(guó)際比對(duì)證實(shí)，準(zhǔn)確度比國(guó)外最好的裝置高出十倍，并受邀幫助國(guó)際計(jì)量局和丹麥、意大利等國(guó)建立和改進(jìn)此種裝置。 應(yīng)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)成員國(guó)的要求，國(guó)際計(jì)量局請(qǐng)法國(guó)的飛利浦電子公司(LEP)研制了一批用砷化鎵-鋁砷化鎵異質(zhì)結(jié)材料制作的量子化霍爾器件，分發(fā)給各會(huì)員國(guó)。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院得到了6個(gè)量子

8、化霍爾器件，對(duì)初期的課題工作有很大的幫助。 為了使我們的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)更為獨(dú)立自主，課題組與國(guó)內(nèi)協(xié)作單位一起研制成了國(guó)產(chǎn)的量子化霍爾器件，在310-9的數(shù)據(jù)分散性范圍內(nèi)，給出的量子化霍爾電阻值與從國(guó)際計(jì)量局發(fā)給的量子化霍爾樣品得到的結(jié)果相一致，已完全滿足實(shí)際量值傳遞工作的要求。 由于取得了上述的一系列進(jìn)展，我國(guó)的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的不確定度達(dá)到了如下的水平: 量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)裝置:0.2410-9(k=1) 量子化霍爾電阻傳遞到100:0.4810-9(k=1) 量子化霍爾電阻傳遞到1:0.7210-9(k=1) 表1是國(guó)際計(jì)量局2004年公布的若干已建成量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量電阻的不確定度，數(shù)據(jù)相應(yīng)于k=2。不難看到，我國(guó)的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。 2000年10月，日本ETL的中西正和博士帶了3個(gè)1標(biāo)準(zhǔn)電阻到計(jì)量院來(lái)。3個(gè)電阻事先用ETL的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定過(guò)。到計(jì)量院后再用我們的量子化霍爾電阻和低溫電流比較儀測(cè)量。然后再回到日本重新測(cè)量。最后結(jié)果表明，計(jì)量院和ETL分別用各自的量子化霍爾電阻和低溫電流比較儀測(cè)量1標(biāo)準(zhǔn)電阻的差別僅為1.3n(即1.31