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的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的建立我國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物電阻標(biāo)準(zhǔn)。實物電阻標(biāo)準(zhǔn)和其相比，有以下缺點：1、有一些不易控制的物理、化學(xué)過程使其特性發(fā)生緩慢的變化。2、實物標(biāo)準(zhǔn)只有一個，一旦由于天災(zāi)、戰(zhàn)爭或其他原因意外損壞， 就無法完全一模一樣地復(fù)制出來，原來連續(xù)保存的單位量值也會

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)國際計量委員會推薦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 實驗證明，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)確度及國際一致性比用實物計量基準(zhǔn)時提高了兩個數(shù)量級以上。而且從根本上消除了電阻單位的量值隨時間變化的現(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,并放入強磁場Bz中時,器

3、件的兩個側(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為平臺的編號數(shù)(實際上為量子力學(xué)中電子在磁場中的回轉(zhuǎn)能級-朗道能級的編號數(shù))，因而是一個正整數(shù)。 對于用砷化鎵-鋁砷化鎵異質(zhì)結(jié)材料制作的量子化霍爾器件，第2個朗道能級平臺處可得到最準(zhǔn)確的量子化霍爾電阻量值，此時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)用按國際計量委員會的建議，世界各國均用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，則用RH=1/225812.807中的量子化霍爾電阻量值。為了便于開展檢定工作，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)進行檢測。超導(dǎo)線圈以及SQUID需在接近絕對零度的低溫環(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的線圈檢測到以后送入超導(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。實驗說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)致瓶中氣壓波動而引起的。從式中可看到如能增加此式中的有用信號I1W1和I2W2，誤差項中隨機分量的相對影響也能縮小，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)也能有效地改善測量準(zhǔn)確度，但是當(dāng)?shù)蜏仉娏鞅容^儀用于比較電阻時繞組中的電流并不能隨意增加，因為繞組中的電流同時也通過被測電阻電流過大會引起電

6、阻發(fā)熱而導(dǎo)致新的測量誤差。四、我國在電阻量子基準(zhǔn)領(lǐng)域的成就 量子化霍爾電阻基準(zhǔn)由中國計量科學(xué)研究院單位完成時量子化霍爾電阻基準(zhǔn)是電學(xué)單位安培、溫度單位開爾文、質(zhì)量單位千克三個國際單位制基本單位的依據(jù)。對整個計量系統(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)確的測量溯源數(shù)據(jù)，促進產(chǎn)品質(zhì)量快速提高。同時為我國打破技術(shù)壁壘TBT，提高我國相關(guān)產(chǎn)品（特別是超高精密儀器）的質(zhì)量和國際競爭力，出口方面爭取有利地位有重要作用。 該項目有多項自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新： 1.在國際上首次從理論上證明了任意形狀的霍爾器件量子化時均滿足普適公式，降低了對工藝的要求，用國內(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)確度的測量設(shè)備?？傮w信噪比提高十倍。 3.發(fā)明了一種“對測量設(shè)備在實際工作狀態(tài)下進行整體校驗的技術(shù)”，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。 該項目課題組發(fā)明了以上國外尚未掌握的核心技術(shù)，建成量子化霍爾電阻裝置。經(jīng)過三種嚴(yán)格的國際比對證實，準(zhǔn)確度比國外最好的裝置高出十倍，并受邀幫助國際計量局和丹麥、意大利等國建立和改進此種裝置。 應(yīng)國際計量委員會成員國的要求，國際計量局請法國的飛利浦電子公司(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)給各會員國。中國計量科學(xué)研究院得到了6個量子

8、化霍爾器件，對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)更為獨立自主，課題組與國內(nèi)協(xié)作單位一起研制成了國產(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際計量局發(fā)給的量子化霍爾樣品得到的結(jié)果相一致，已完全滿足實際量值傳遞工作的要求。 由于取得了上述的一系列進展，我國的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的不確定度達到了如下的水平: 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是國際計量局2004年公布的若干已建成量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的實驗室測量電阻的不確定度，數(shù)據(jù)相應(yīng)于k=2。不難看到，我國的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)的水平處于國際領(lǐng)先地位。 2000年10月，日本ETL的中西正和博士帶了3個1標(biāo)準(zhǔn)電阻到計量院來。3個電阻事先用ETL的量子化霍爾電阻標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定過。到計量院后再用我們的量子化霍爾電阻和低溫電流比較儀測量。然后再回到日本重新測量。最后結(jié)果表明，計量院和ETL分別用各自的量子化霍爾電阻和低溫電流比較儀測量1標(biāo)準(zhǔn)電阻的差別僅為1.3n(即1.31