[发明专利]一种低场量子电阻测量仪

说明书

一种低场量子电阻测量仪，使用技术成熟、维护成本低的GM制冷机作为冷源进行量子霍尔电阻测量，并通过悬挂机构将多级GM制冷机与杜瓦冷罐相互独立设置以减少振动对量子霍尔电阻芯片的测量不确定度的影响，利用常温下的低频电流比较仪电桥将量子霍尔电阻量值传递给被测电阻，将量子电阻测量仪的测量不确定度保持在10^‑8量级，使量子电阻测量仪连续运行成为可能，从设备成本和运行成本上节省大量资金，不需要额外消耗紧缺资源液氦，避免了资源的浪费。采用JT循环系统使量子电阻测量仪即可用石墨烯量子霍尔电阻芯片又可用低场砷化镓量子霍尔电阻芯片进行测量，且设计可拆卸式样品杆，并在样品杆内设置芯片转换装置，提高了设备的通用性。

技术领域

本发明涉及量子电阻测量技术，特别是一种低场量子电阻测量仪。

背景技术

在霍尔效应发现100年后，德国科学家冯·克里青、多尔达和派波尔等人发现高迁移率的半导体器件—如硅或砷化镓的异质结器件被冷却到几K温度时，外加一个约10T的磁场，在通过器件的电流固定时，霍尔电压随磁感应强度变化的曲线上存在一些区域，在这些区域中，当磁感应强度变化时，霍尔电压保持不变，这种现象称为量子化霍尔效应。这时电子被完全极化，自旋的能量是常数，可以忽略，它是二维电子气(2DEG)在超低温和强磁条件下完全量子化时出现的现象。霍尔电阻Rh表示为：Rh＝RH/i＝h/ie²(i＝1，2，…)；式中：h/e²为冯·克里青常数RH，h为普朗克常数，e为电子电荷，i为正整数。i＝1时，量子霍尔电阻在该第一量子平台处的阻值Rh＝25812.8074Ω；i＝2时，量子霍尔电阻在该第二量子平台处的阻值Rh＝12906.4037Ω。均为常数，故而可以作为量子霍尔电阻自然基准，由于这项发现，冯·克里青荣获1985年的诺贝尔物理学奖。美籍华裔科学家崔琦等人因进一步发现分数量子化霍尔效应和对量子化霍尔样品实用化方面的重要贡献而荣获1998年的诺贝尔物理学奖。

利用量子化霍尔效应建立的直流电阻自然基准，在电阻测量方面理论上可在10^-9量级复现电阻量值。依据量子化霍尔效应开发有量子电阻测量仪，传统的量子电阻测量仪需要10T的强磁场、1.2K的超低温，存在磁感应强度高和温度超低、需要液氦、不能连续运行的缺陷。且液氦目前存量极低，供应紧缺，价格极为昂贵，严重限制了量子霍尔电阻自然基准的推广和应用。

安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中实现了量子化霍尔效应并因此获得2010年的诺贝尔物理学奖。用石墨烯作为量子霍尔电阻芯片材料，其对工作磁场的要求不高于6T，对温度的要求仅为4.2K左右，因此降低了量子电阻测量仪对磁场和温度的要求；故而可以采用制冷机代替液氦制冷实现以石墨烯芯片为核心的量子电阻测量仪，可大幅降低测量成本，但是量子电阻测量仪的不确定度在10^-8量级，制冷机运行时存在较大的振动和噪声干扰，严重影响量子电阻测量的准确度。由于脉管机仅存在气流膨胀压缩引起的微小振动，故而配合其他条件可以使量子电阻的测量不确定度达到10^-8量级，国外有成功利用脉管机制冷替代液氦制冷实现以石墨烯芯片为核心的量子电阻测量仪的报道。但是脉管机结构复杂、价格昂贵、寿命有限，且国内关于脉管机的研制尚不成熟，不能实现量子电阻测量仪在国内的产业化推广和广泛应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种低场量子电阻测量仪，在量子电阻测量中采用石墨烯为量子霍尔电阻芯片，能够在较低的磁场和较高的温度下实现量子化霍尔效应，使用多级GM(Gifford-McManhon)制冷机代替液氦制冷，并将多级GM制冷机通过减振装置及机构独立于杜瓦冷罐设置，以降低GM制冷机在量子电阻测量仪中的振动，且使用在常温下的频率小于1Hz的电流比较仪电桥将量子霍尔电阻量值传递给被测电阻，在保证测量精度基准的基础上降低量子电阻测量的成本，使量子电阻测量仪连续运行成为可能。本发明所述的低场量子电阻测量仪中的低场是指相对于传统的量子电阻测试仪需要的10T磁场，采用不高于6T的较低磁场实现量子霍尔电阻测量。

本发明通过以下技术方案实现：