Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene

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量子霍尔效应和量子反常霍尔效应的联系

量子霍尔效应和量子反常霍尔效应的联系

量子霍尔效应(Quantum Hall Effect)和量子反常霍尔效应(Quantum Anomalous Hall Effect)都是固体物理中与二维电子系统相关的现象,但它们在物理机制和观测行为上存在一些差异。

量子霍尔效应是在二维电子系统中观察到的一种量子现象。

当二维电子气体在低温和强磁场下运动时,沿着样品的横向方向会形成能级分立的能带,即所谓的Landau能级。

在量子霍尔效应中,当费米能级正好落在一个Landau能级上时,电子在横向方向上出现了完全的电流无阻塞现象,被称为霍尔电流。

此时,横向电导出现了量子化现象,即纵向电阻呈现为量子化的间断形态。

量子反常霍尔效应是一种类似于量子霍尔效应的现象,但在没有外部磁场的情况下观察到。

量子反常霍尔效应在一些特殊的材料系统中出现,这些材料具有自发磁化或拓扑特性。

在这种效应下,电子在无磁场的情况下仍然出现了完全的电流无阻塞现象,并且在霍尔电导方向上出现了量子化的行为。

量子反常霍尔效应是在拓扑绝缘体材料中观察到的,这些材料具有非零的陈数(Chern number)或拓扑不变量。

与量子霍尔效应不同,量子反常霍尔效应不需要外部磁场,而是由材料内部的拓扑性质和自旋-轨道耦合引起的。

尽管量子霍尔效应和量子反常霍尔效应在物理机制和观测行为上有所不同,但它们都是在二维电子系统中观察到的量子现象,具有重要的理论和实验意义,对于理解凝聚态物理中的拓扑态和量子输运现象有重要的贡献。

量子霍尔效应

量子霍尔效应

量子霍尔效应霍尔效应是电磁效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔(E.H.Hall,1855-1938)于1879年在研究金属的导电机制时发现的。

当电流垂直于外磁场通过半导体时,载流子发生偏转,垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场,从而在半导体的两端产生电势差,这一现象就是霍尔效应,这个电势差也被称为霍尔电势差。

霍尔效应使用左手定则判断。

发现霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现,它定义了磁场和感应电压之间的关系,这种效应和传统的电磁感应完全不同。

当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力,从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。

虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解,但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用,直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。

根据设计和配置的不同,霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器,广泛应用于电力系统中。

解释在半导体上外加与电流方向垂直的磁场,会使得半导体中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而在不同方向上聚集,在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场,电场力与洛伦兹力产生平衡之后,不再聚集,此时电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的洛伦兹力,使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移,这个现象称为霍尔效应。

而产生的内建电压称为霍尔电压。

方便起见,假设导体为一个长方体,长度分别为a、b、d,磁场垂直ab平面。

电流经过ad,电流I=nqv(ad),n为电荷密度。

设霍尔电压为VH,导体沿霍尔电压方向的电场为VH/a。

设磁感应强度为B。

洛伦兹力F=qE+qvB/c(Gauss单位制)电荷在横向受力为零时不再发生横向偏转,结果电流在磁场作用下在器件的两个侧面出现了稳定的异号电荷堆积从而形成横向霍尔电场由实验可测出E=UH/W定义霍尔电阻为RH=UH/I=EW/jW=E/jj=qnvRH=-vB/c/(qnv)=-B/(qnc)UH=RHI=-BI/(qnc)本质固体材料中的载流子在外加磁场中运动时,因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移,并在材料两侧产生电荷积累,形成垂直于电流方向的电场,最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡,从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

整数量子霍尔效应(integerquantumHalleffect)百科中学物理

整数量子霍尔效应(integerquantumHalleffect)百科中学物理

整数量子霍尔效应(integerquantumHalleffect)百科中学物理当今社会是一个高速发展的信息社会。

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还在等什么,快来看看这篇整数量子霍尔效应(integerquantumHalleffect)百科中学物理吧~整数量子霍尔效应(integerquantumHalleffect)整数量子霍尔效应(integerquantumHalleffect)二维电子气系统在强磁和低温条件下的霍尔效应表现出明显的量子化性质。

1980年冯克利青(VonKlitzing)等人首先观测到了量子化霍尔效应。

他们测量了SiMOSFET反型层中二维电子气系统中的电子在15T强磁场和低于液He温度下的霍尔电压VH,沿电流方向的电势差VP与栅压VG的关系。

当磁场垂直于反型层,磁感应强度B与沿反型层流动的电流强度I保持不变时,改变栅压VG,可改变反型层中载流子密度ns。

在正常的霍尔效应中应有VH1/VG(如果nsVG),但在强磁和低温下,某些VG间隔内,VH曲线出现平台,对应于平台时的VP最小趋近于零,由此得到的霍尔电阻XY=-VH/I是量子化的,其值为`rho_{XY}=frac{h}{iq^2},i=1,2,3,ldots`它只与物理常数h(普朗克常数)和q有关。

霍尔电阻与整数i相联系的量子化性质称整数量子霍尔效应。

在1K以下,实验还进一步观察到i为分数的霍尔平台,即分数量子化霍尔效应。

在调制掺杂的GaAs-GaAlAs等异质结构中也能观测到量子化霍尔效应。

Quantum Hall effect - Wikipedia, the free encyclopedia

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Quantum Hall effectFrom Wikipedia, the free encyclopediaThe quantum Hall effect (or integer quantum Hall effect) is a quantum-mechanical version of the Hall effect, observed in two-dimensional electron systems subjected to low temperatures and strong magnetic fields, in which the Hall conductance G undergoes certain quantum Hall transitions to take on the quantized valueswhere is the channel current, is the Hall voltage, e is the elementary charge and h is Planck's constant. The prefactor ν is known as the "filling factor", and can take on either integer (ν = 1, 2, 3, .. ) or fractional (ν = 1/3, 2/5, 3/7, 2/3, 3/5, 1/5, 2/9, 3/13, 5/2, 12/5 ...) values. The quantum Hall effect is referred to as the integer or fractional quantum Hall effect depending on whether ν is an integer or fraction respectively. The integer quantum Hall effect is very well understood, and can be simply explained in terms of single-particle orbitals of an electron in a magnetic field (see Landau quantization). The fractional quantum Hall effect is more complicated, as its existence relies fundamentally on electron–electron interactions. It is also very well understood as an integer quantum Hall effect, not of electrons but of charge-flux composites known as composite fermions. In 1988, it was proposed that there was quantum Hall effect without Landau levels. This quantum Hall effect is referred to as the quantum anomalous Hall (QAH) effect. There is also a new concept of the quantum spin Hall effect which is an analogue of the quantum Hall effect, where spin currents flow instead of charge currents.[1]Contents◾1 Applications◾2 History◾3 Integer quantum Hall effect – Landau levels◾4 Mathematics◾5 See also◾6 References◾7 Further readingApplicationsThe quantization of the Hall conductance has the important property of being incredibly precise. Actual measurements of the Hall conductance have been found to be integer or fractional multiples of e2/h to nearly one part in a billion. This phenomenon, referred to as "exact quantization", has been shown to be a subtle manifestation of the principle of gauge invariance.[2] It has allowed for the definition of a new practical standard for electrical resistance, based on the resistance quantum givenby the von Klitzing constant R K = h/e2 = 25812.807557(18) Ω.[3] This is named after Klaus von Klitzing, the discoverer of exact quantization. Since 1990, a fixed conventional value R K-90 is used in resistance calibrations worldwide.[4] The quantum Hall effect also provides an extremely precise independent determination of the fine structure constant, a quantity of fundamental importance in quantum electrodynamics.HistoryThe integer quantization of the Hall conductance was originally predicted by Ando, Matsumoto, and Uemura in 1975, on the basis of an approximate calculation which they themselves did not believe to be true. Several workers subsequently observed the effect in experiments carried out on the inversion layer of MOSFETs. It was only in 1980 that Klaus von Klitzing, working at the high magnetic field laboratory in Grenoble with silicon-based samples developed by Michael Pepper and Gerhard Dorda, made the unexpected discovery that the Hall conductivity was exactly quantized. For this finding, von Klitzing was awarded the 1985 Nobel Prize in Physics. The link between exact quantization and gauge invariance was subsequently found by Robert Laughlin. Most integer quantum Hall experiments are now performed on gallium arsenide heterostructures, although many other semiconductor materials can be used. In 2007, the integer quantum Hall effect was reported in graphene at temperatures as high as room temperature,[5] and in the oxide ZnO-Mg x Zn1-x O.[6] Integer quantum Hall effect – Landau levelsIn two dimensions, when classical electrons are subjected to a magnetic field they follow circular cyclotron orbits. When the system is treated quantum mechanically, these orbits are quantized. The energy levels of these quantized orbitals take on discrete values: , where ωc = eB/m is the cyclotron frequency. These orbitals are known as Landau levels, and at weak magnetic fields, their existence gives rise to many interesting "quantum oscillations" such as the Shubnikov–de Haas oscillations and the de Haas–van Alphen effect (which is often used to map the Fermi surface of metals). For strong magnetic fields, each Landau level is highly degenerate (i.e. there are many single particle states which have the same energy E n). Specifically, for a sample of area A, inmagnetic field B, the degeneracy of each Landau level is (where g s represents a factor of 2 for spin degeneracy, and is the magnetic flux quantum). ForHofstadter's butterfly sufficiently strong B-fields, each Landau level may have so many states that all of the free electrons in the system sit in only a few Landau levels; it is in this regime where one observes the quantum Hall effect.MathematicsThe integers that appear in the Hall effect are examples oftopological quantum numbers. They are known inmathematics as the first Chern numbers and are closelyrelated to Berry's phase. A striking model of much interest inthis context is the Azbel-Harper-Hofstadter model whosequantum phase diagram is the Hofstadter butterfly shown inthe figure. The vertical axis is the strength of the magneticfield and the horizontal axis is the chemical potential, whichfixes the electron density. The colors represent the integer Hall conductances. Warm colors represent positive integersand cold colors negative integers. The phase diagram isfractal and has structure on all scales. In the figure there is an obvious self-similarity.Concerning physical mechanisms, impurities and/or particular states (e.g., edge currents) are important for both the 'integer' and 'fractional' effects. In addition, Coulomb interaction is also essential in the fractional quantum Hall effect. The observed strong similarity between integer and fractional quantum Hall effects is explained by the tendency of electrons to form bound states with an even number of magnetic flux quanta, called composite fermions .See also◾quantum Hall transitions◾Fractional quantum Hall effect◾Composite fermions◾Hall effect◾Hall probe◾Graphene◾Quantum spin Hall effect◾Coulomb potential between two current loops embedded in a magnetic fieldReferences1.^ Ezawa, Zyun F. (2013). Quantum Hall Effects: Recent Theoretical and Experimental Developments (3rd ed.). World Scientific. ISBN 978-981-4360-75-3.2.^ Laughlin, R. (1981). "Quantized Hall conductivity in twodimensions" (/abstract/PRB/v23/i10/p5632_1). Physical Review B 23 (10): 5632–5633. Bibcode:1981PhRvB..23.5632L (/abs/1981PhRvB..23.5632L).doi:10.1103/PhysRevB.23.5632 (/10.1103%2FPhysRevB.23.5632). Retrieved 8 May 2012.3.^ Tzalenchuk, Alexander; Lara-Avila, Samuel; Kalaboukhov, Alexei; Paolillo, Sara; Syväjärvi, Mikael;Yakimova, Rositza; Kazakova, Olga; Janssen, T. J. B. M.; Fal'ko, Vladimir; Kubatkin, Sergey (2010)."Towards a quantum resistance standard based on epitaxialgraphene" (/nnano/journal/v5/n3/abs/nnano.2009.474.html). NatureNanotechnology5 (3): 186–189. arXiv:0909.1220 (https:///abs/0909.1220).Bibcode:2010NatNa...5..186T (/abs/2010NatNa...5..186T).doi:10.1038/nnano.2009.474 (/10.1038%2Fnnano.2009.474). PMID 20081845(https:///pubmed/20081845).4.^ "conventional value of von Klitzing constant" (/cgi-bin/cuu/Value?rk90). NIST.5.^ Novoselov, K. S.; Jiang, Z.; Zhang, Y.; Morozov, S. V.; Stormer, H. L.; Zeitler, U.; Maan, J. C.;Boebinger, G. S.; Kim, P.; Geim, A. K. (2007). "Room-Temperature Quantum Hall Effect in Graphene".Science315 (5817): 1379. arXiv:cond-mat/0702408 (https:///abs/cond-mat/0702408).Bibcode:2007Sci...315.1379N (/abs/2007Sci...315.1379N).doi:10.1126/science.1137201 (/10.1126%2Fscience.1137201). PMID 17303717(https:///pubmed/17303717).6.^ Tsukazaki, A.; Ohtomo, A.; Kita, T.; Ohno, Y.; Ohno, H.; Kawasaki, M. (2007). "Quantum Hall Effectin Polar Oxide Heterostructures". Science315 (5817): 1388–91. Bibcode:2007Sci...315.1388T(/abs/2007Sci...315.1388T). doi:10.1126/science.1137430(/10.1126%2Fscience.1137430). PMID 17255474(https:///pubmed/17255474).Further reading◾Ando, Tsuneya; Matsumoto, Yukio; Uemura, Yasutada (1975). "Theory of Hall Effect in a Two-Dimensional Electron System". J. Phys. Soc. Jpn.39 (2): 279–288.Bibcode:1975JPSJ...39..279A (/abs/1975JPSJ...39..279A).doi:10.1143/JPSJ.39.279 (/10.1143%2FJPSJ.39.279).◾Klitzing, K.; Dorda, G.; Pepper, M. (1980). "New Method for High-Accuracy Determination of the Fine-Structure Constant Based on Quantized Hall Resistance". Phys. Rev. Lett.45 (6): 494–497. Bibcode:1980PhRvL..45..494K(/abs/1980PhRvL..45..494K). doi:10.1103/PhysRevLett.45.494(/10.1103%2FPhysRevLett.45.494).◾Laughlin, R. B. (1981). "Quantized Hall conductivity in two dimensions". Phys. Rev. B.23(10): 5632–5633. Bibcode:1981PhRvB..23.5632L(/abs/1981PhRvB..23.5632L). doi:10.1103/PhysRevB.23.5632(/10.1103%2FPhysRevB.23.5632).◾Yennie, D. R. (1987). "Integral quantum Hall effect for nonspecialists". Rev. Mod. Phys.59(3): 781–824. Bibcode:1987RvMP...59..781Y(/abs/1987RvMP...59..781Y). doi:10.1103/RevModPhys.59.781(/10.1103%2FRevModPhys.59.781).◾Hsieh, D.; Qian, D.; Wray, L.; Xia, Y.; Hor, Y. S.; Cava, R. J.; Hasan, M. Z. (2008). "A topological Dirac insulator in a quantum spin Hall phase". Nature452 (7190): 970–974.arXiv:0902.1356 (https:///abs/0902.1356). Bibcode:2008Natur.452..970H(/abs/2008Natur.452..970H). doi:10.1038/nature06843(/10.1038%2Fnature06843). PMID 18432240(https:///pubmed/18432240).◾25 years of Quantum Hall Effect, K. von Klitzing, Poincaré Seminar (Paris-2004). Postscript (http://parthe.lpthe.jussieu.fr/poincare/textes/novembre2004.html). Pdf(/PhysicsHorizon/25yearsQHE-lecture.pdf).◾Magnet Lab Press Release Quantum Hall Effect Observed at Room Temperature (/mediacenter/news/pressreleases/2007february15.html)◾Avron, Joseph E.; Osadchy, Daniel, Seiler, Ruedi (2003). "A Topological Look at the Quantum Hall Effect" (/resource/1/phtoad/v56/i8/p38_s1).Physics Today56 (8): 38. Bibcode:2003PhT....56h..38A(/abs/2003PhT....56h..38A). doi:10.1063/1.1611351(/10.1063%2F1.1611351). Retrieved 8 May 2012.◾Zyun F. Ezawa: Quantum Hall Effects - Field Theoretical Approach and Related Topics.World Scientific, Singapore 2008, ISBN 978-981-270-032-2◾Sankar D. Sarma, Aron Pinczuk: Perspectives in Quantum Hall Effects. Wiley-VCH, Weinheim 2004, ISBN 978-0-471-11216-7◾Baumgartner, A.; Ihn, T.; Ensslin, K.; Maranowski, K.; Gossard, A. (2007). "Quantum Hall effect transition in scanning gate experiments". Physical Review B76 (8).Bibcode:2007PhRvB..76h5316B (/abs/2007PhRvB..76h5316B).doi:10.1103/PhysRevB.76.085316 (/10.1103%2FPhysRevB.76.085316).◾E. I. Rashba and V. B. Timofeev, Quantum Hall Effect, Sov. Phys. - Semiconductors v. 20, pp.617-647 (1986).Retrieved from "/w/index.php?title=Quantum_Hall_effect&oldid=605304404"Categories: Hall effect Condensed matter physics Quantum electronics SpintronicsQuantum phases Mesoscopic physics◾This page was last modified on 22 April 2014 at 14:51.◾Text is available under the Creative Commons Attribution-ShareAlike License; additional terms may apply. By using this site, you agree to the Terms of Use and Privacy Policy.Wikipedia® is a registered trademark of the Wikimedia Foundation, Inc., a non-profitorganization.。

凝聚态物理材料物理专业考博量子物理领域英文高频词汇

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凝聚态物理材料物理专业考博量子物理领域英文高频词汇1. Quantum Mechanics - 量子力学2. Wavefunction - 波函数3. Hamiltonian - 哈密顿量4. Schrödinger Equation - 薛定谔方程5. Quantum Field Theory - 量子场论6. Quantum Entanglement - 量子纠缠7. Uncertainty Principle - 不确定性原理8. Quantum Tunneling - 量子隧穿9. Quantum Superposition - 量子叠加10. Quantum Decoherence - 量子退相干11. Spin - 自旋12. Quantum Computing - 量子计算13. Quantum Teleportation - 量子纠缠传输14. Quantum Interference - 量子干涉15. Quantum Information - 量子信息16. Quantum Optics - 量子光学17. Quantum Dots - 量子点18. Quantum Hall Effect - 量子霍尔效应19. Bose-Einstein Condensate - 玻色-爱因斯坦凝聚态20. Fermi-Dirac Statistics - 费米-狄拉克统计中文翻译:1. Quantum Mechanics - 量子力学2. Wavefunction - 波函数3. Hamiltonian - 哈密顿量4. Schrödinger Equation - 薛定谔方程5. Quantum Field Theory - 量子场论6. Quantum Entanglement - 量子纠缠7. Uncertainty Principle - 不确定性原理8. Quantum Tunneling - 量子隧穿9. Quantum Superposition - 量子叠加10. Quantum Decoherence - 量子退相干11. Spin - 自旋12. Quantum Computing - 量子计算13. Quantum Teleportation - 量子纠缠传输14. Quantum Interference - 量子干涉15. Quantum Information - 量子信息16. Quantum Optics - 量子光学17. Quantum Dots - 量子点18. Quantum Hall Effect - 量子霍尔效应19. Bose-Einstein Condensate - 玻色-爱因斯坦凝聚态20. Fermi-Dirac Statistics - 费米-狄拉克统计。

量子霍尔效应的发展历程_韩燕丽

量子霍尔效应的发展历程_韩燕丽

31999-12-08收到初稿,2000-01-20修回量子霍尔效应的发展历程3韩燕丽刘树勇(首都师范大学物理系北京100037摘要量子霍尔效应的发现是新兴的低维凝聚态物理发展中的一件大事,分数量子霍尔效应的发现更是开创了一个研究多体现象的新时代,并将影响到物理学的很多分支.这个领域两次被授予诺贝尔物理奖,引起了人们很大的兴趣.文章介绍了量子霍尔效应发展的历程.主要内容包括1897年霍尔发现霍尔效应、1980年K laus von K litzing 发现整数量子霍尔效应、1982年崔琦和Horst L.Stormer 发现分数量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的实验验证等过程.关键词量子霍尔效应,准粒子,激发THE QUANTUM HALL EFFECTHAN Yan 2Li L IU Shu 2Y ong(Depart ment of Physics ,Capital Normal U niversity ,Beijing 100037Abstract The discovery of the quantum Hall effect was great event in the development of low 2dimension con 2densed matter physics.The discovery of the fractional quantum Hall effect has opened a new era of research into poly 2body phenomena and will affect many branches of physics.Two Nobel prizes have been awarded in this field ,which has aroused the interest of many people.The discovery of the Hall effect by Edwin Hall in 1897,the quan 2tum Hall effect by K laus von K litzing in 1980,the fractional quantum Hall effect by Danial Chee Tusi and Horst L.Stormer ,and the experimental verification of the fractional quantum Hall effect are reviewed.K ey w ords quantum Hall effect ,quasi 2particle ,excitation量子霍尔效应的发现是新兴的低维凝聚态物理中的一个重大事件.在人工微结构材料之中,例如场效应中的反型层、半导体异质结等,薄层内电子被势垒限制在二维方向上运动,构成量子阱中的二维电子气.在二维电子气中发现了一系列特殊的性质,其中最重要的是量子霍尔效应,这也是国际学术界的研究热潮所在.我们在这篇文章中回顾一下它的发展历程.1897年,24岁的霍尔(Edwin Herbert Hall ,1855—1938是马里兰的约翰斯Hopking 大学的一名研究生.当时,还没有发现电子,也没有人知道金属中导电的机理.霍尔注意到著名的英国物理学家麦克斯韦和瑞典物理学家埃德隆(Erik Edlund 在一个问题上的分岐,在罗兰(H.A.Rowland 教授的支持下,他做了实验来验证磁场到底对导线中的电流有没有影响.他的实验是在室温和一般磁场的条件下做的,他发现了霍尔效应.当电流通过一个放在与电流方向垂直的磁场中的导体薄膜时,在电流和磁场方向的垂直方向上出现一个电压———霍尔电压,这个霍尔电压正比于磁场的强度.霍尔效应提供了一个简单的办法在实验中去测量各种材料中电荷载流子的密度.霍尔的发现在当时震动了科学界,许多科学家转向了这一领域.不久,就发现了埃廷斯豪森(Ettingshausen 效应、能斯特(Nernst 效应、里吉-勒迪克(Righi -Leduc 效应和不等位电势差等四个伴生效应.后来,人们在半导体材料中也发现了霍尔效应,因此,霍尔效应也成为测量半导体是电子型还是空穴型的标准办法.我们现在所称的整数量子霍尔效应(IQ HE 是1980年由K laus von K litzing 等人从金属-氧化物-半导体场效应晶体管的氧化物表面上发现的.1985年的诺贝尔物理奖也因这个发现而授予K laus von K litzing.1974年,Tsuheya Ando 和Englert 等人就从理论上提出:对于二维电子气,当其费米能级处于朗道能级之间时,在所对应的栅极电压的某一范围内,样品的电阻水平分量可以为零,霍尔电阻可以出现台阶现象.K laus von K litzing 和他的同伴根据・994・29卷(2000年8期这个思想开展霍尔效应的工作,他们研究场效应管的半导体氧化物界面上二维电子气在低温(约几K和强磁场(大于10T下的物理性质,发现,霍尔电阻的线形规律被打破了,电阻出现阶梯状的增长,电阻值非常接近于h/e2f,f在这儿称做填充因子,f 是一个整数,e是一个电子的电荷,h是普朗克恒量,f 由电子的密度和磁通密度来决定.整数量子霍尔效应的事实十分令人意外,但它与载流子在二维电子态中的分布有关,这是确定无疑的.紧接着,1981年,美国贝尔实验室的崔琦等改用调制掺杂的GaAs2Al013G a017As异质结量子阱,很快就实现了von K litzing实验的翻版,得到了更完美的曲线,支持了von K litzing的实验结果.这两个实验在半导体电子本性的历史上具有重要的意义.为了解释这一点,在IQ HE方面,曾有过好几个有影响的结果,较为让人接受的是Robert ughlin(那时在劳伦斯利弗莫尔国家实验室,现在是斯坦福大学的教授在1981年提出的模型.整数量子霍尔效应实验测量的精确度达10-9量级,所以1990年后,国际绝对电阻标准改为由整数量子霍尔效应来定义.另外,我们还可以据此来测定量子电动力学中具有特别重要意义的精细结构常数e2/h=258128.量子霍尔效应的另一个重要的进展是崔琦(Daniel Chee Tsui,当时在普林斯顿大学和Horst L.Stormer(在贝尔实验室工作了20年后1998年进入哥伦比亚大学发现了分数量子霍尔效应.这一发现使得崔琦和Horst L.Stormer以及后来对这一现象做出解释的Robert ughlin获得了1998年的诺贝尔物理奖.1982年,崔琦在新泽西的默里山的贝尔实验室用半导体G aAs做量子霍尔效应的实验,他用了更低的温度和更强的磁场.他们建立了一个独立的实验环境,用一个量子阱去限制电子成为二维电子气:这是将两种不同的半导体材料夹在一起,一面是G aAs,另一面是G aAlAs,这样电子被限制在两种材料的接触面上.下一步,研究人员将电子阱的温度降至绝对温度的011度,磁场加到几乎30T(是地球磁场的100万倍,使他们惊奇的是,崔琦和Horst L.Stormer发现霍尔电阻下一级台阶是von K litzing的最高记录的3倍.后来,崔琦和Stormer又发现了更多的台阶,即量子霍尔效应平台不仅在f为整数时被观察到,而且也出现在f为一些具有奇分母的分数的情况下,如f=1/3、2/5等等,因此称为分数量子霍尔效应(FQ HE.崔琦1939年生于中国的河南,1958年到美国伊诺斯州的Augustana学院学习,于1961年毕业,并获得了Phi Beta Kappa荣誉.1967年,获得芝加哥大学博士学位,并留校做博士后,一年后,他进入贝尔实验室.崔琦1982年成为普林斯顿的教职员,并被选为国家科学院的成员,同时也成为美国科学发展组织的成员、美国物理学会成员,1984年获得美国物理学会的Oliver Buckley凝聚态物质物理奖, 1997年他又获得Benjamin Franklin物理奖章.崔琦现在在普林斯顿和他的妻子生活在一起,他是普林斯顿第29个诺贝尔奖获得者,第18个诺贝尔物理奖获得者.FQ HE这一新的实验给理论物理学家带来了难题,它不能用当时的理论来解释.整数量子霍尔效应展现给人们一个全新的宏观量子现象,不过它的理论解释可以纳入已成熟的固体理论.然而对于分数量子霍尔效应,则必须考虑电子间的相互作用.否则,电子都处于最低的朗道能级,具有相同的能量,不可能发生FQ HE,因此FQ HE是一种低维电子系统的强关联效应.除了一维系统外,要想严格求解这种系统是很难的,比较可行的办法是设法找到系统的基态波函数,然后研究在此基础上的低能激发. Robert ughlin1983年对自己的模型作了修正,以后他又发展了FQ HE的理论解释.Laughlin对于FQ HE的重要贡献在于他发现了f=1/m分数量子霍尔系统的与严格基态波函数非常接近的近似基态波函数,并从多电子系统基态波函数一般物理要求出发,写下了基态波函数的形式.这个函数被称为Laughlin波函数.Laughlin得到这种波函数是受到4He理论的启发,也涉及相关的多粒子的波函数(Jastrow波函数.在用波函数计算他提出的基态的能量时,Laughlin又引入等离子态的类比,他发现FQ HE的电子间的相互作用类似于一种经典粒子的等离子态与对数势间的相互作用.支持Laughlin的Duncan Haldam和他的同伴作了准确的计算. Laughlin认为当元素从基态激发时,会产生涡列,像我们从系统里拿走一个整数电荷,会留下m个漩涡的准料子,且每一个准粒子携有整数电荷的1/m. f=1/m的量子态代表多电子基态,电子的位置是不固定的,这种量子态是一种新的量子流体,这种量子流体就叫做量子霍尔液体,是一种不可压缩的流体.电子间的库仑相互作用为这种不可压缩性提供能隙.对FQ HE的验证是验证:(1在激发谱线中存在能隙;(2能获得带有分数电荷的准粒子.对于准・5・物理粒子的激发,能隙Δ的值能从欧姆电阻对温度的依赖性中获得.以下几个小组做了早期的实验:日本的Hiroyaki Sakaki小组、德国的K laus von K litzing小组和贝尔实验室小组.他们的实验结果只和理论有定性的相似,这是因为样品不是足够的纯,不规则性会阻碍FQ HE的产生.1989年,贝尔实验室的R.L. Willett,J.H.English和Stormer、崔琦、A.C.G ossard 合作,成功地得到了好的样品,并测得Δ的实验值.除准粒子激发外,新的量子流体在密度涨落的形式下还存在集体激发.印第安纳大学的Steven G irvin、Allan MacDonald和贝尔实验室的Philip Platzman 通过和Feynman 的超流He理论的类比,发展了这种集体激发的理论.这个理论以Laughlin的基态描述为基础,预言了在激发谱中有一个有限的能隙.这个能隙的值在1993年被Aron Dinczuk和他在贝尔实验室的同事们测量到.根据理论,随着m的增加量的减少,能隙将消失在m=7或9处,电子实产生,这种相变在实验中被观测到.FQ HE第二个验证被三个小组用两种方法获得成功:纽约州立大学的Vladimir G oldman,B.Su在1995年通过测量谐振的隧道流的方法得到了带有1/3电荷的准粒子;以色列韦茨曼科学研究所的Mordehai Heiblum和法国原子能委员会的Christian G lattli两个小组在1997年通过测量隧道流的散粒效应也获得了成功.在很多情况下,对FQ HE的理解采用另一种不耗散的超流体作类比,例如Helium,这是一种由玻色子组成的液体,并通过玻色-爱因斯坦凝聚成为一种肉眼可见的超流液体,而电子和准粒子在FQ HE中是费米子.Laughlin认为,这是因为极强的外磁场强迫奇数个单位磁通量子与电子复合成为玻色子,复合玻色子在接近零度时发生玻色-爱因斯坦凝聚,形成量子霍尔液体.由于复合玻色子由电子和磁通组成,这种量子的准粒子激发就具有很奇特的性质.Laughlin指出这种准粒子带有分数个电子电荷,满足分数统计.后来,人们又发展了从费米-狄拉克到玻色-爱因斯坦统计的二元性玻色子(bo2 son图景,FQ HE的理论被G irvin和MacDonald公式化.在这个二元性图景中,人们对Laughlin的波函数和对FQ HE有了一个很好的了解,在某种意义上说,已经抓住了物理的本质.FQ HE无论在实验上还是在理论上在今天都是很活跃的领域.1989年,人们又发现了“偶分母”的量子霍尔效应,这进一步说明电子在强磁场中的丰富的物理效应.最近几年里,人们新的兴趣集中在分数量子霍尔器件上,接着电子在量子霍尔磁场中的自旋又成为研究领域的主题.分数量子霍尔效应开创一个新的研究多体现象的新时代,将影响到物理的很多分支.分数量子霍尔效应的发现和Laughlin 波函数的提出开创了凝聚态物理强相关系统研究的一个崭新领域在以后的年代里,一个个激动人心的新实验发现和理论进展不仅把FQ HE的研究发展成为凝聚态物理的主流领域,而且也对现代物理许多分支中的新理论发展起了借鉴作用.参考文献[1]Daviss B.New Scientist,1998,31:36[2]Anderson P W.Phys.Today,1997(10:42[3]MacDonald A H.Science,1995,17:977[4]K ivelson S,Lee D H,Zhang S C.Scientific American,1996,3:64[5]中国科学院.科学发展报告.北京:科学出版社,1999.52[CAS.Reports of the Progresses in Science.Beijing:SciencePress,1999.52(in Chinese][6]Tusi D C,Stormer H L,G ossard A C.Phys.Rev.Lett.,1982,48:1559[7]Von K litzing K,Dorda G,Popper M.Phys.Rev.Lett.,1980, 45:494[8]Laughlin R B.Phys.Rev.Lett.,1983,50:1395・15・29卷(2000年8期。

Hall 效应

Hall 效应

霍尔效应(classical 霍尔效应):以二维金属为例,我们在垂直方向加一个比较强的磁场,然后在二维金属里沿一个方向通直流电流,然后我们会在垂直于电流,磁场的方向获得一个电压,这个就是经典的霍尔效应,我们称这个电压为横向电压,区别于沿电流方向的电压,有这个横向电场和电流我们可以定义一个霍尔电导。

这些都可以在经典电动力学(电磁学)的框架内解释。

Quantum Hall Effect:实验图像和经典的基本上一样,只是我们测到的霍尔电导是一个个分立的值,而不是连续的值,而且随外加磁场的变化呈现一种振荡的变化。

这个就是量子霍尔效应。

量子霍尔效应是体系态密度在磁场下量子化的结果,只能在量子力学的框架下解释。

量子霍尔效应中对量子电导有贡献的是边界态,也就是说导电电子是在材料的边界上走的。

自旋量子霍尔效应:和霍尔效应一样,电子在边界上走。

霍尔效应里电子在某一个边界上只沿一个方向走,但是在自旋量子霍尔效应中,每一个边界上有两条边界态构成的band,每有一个(k,+)态,那么有一个另一个band上对应的(-k,-)态,这儿后面的+,-代表自旋。

因此电子有沿一个方向走的,也有沿反方向走的。

它们数目相等,因此没有净电流,没有霍尔电导。

但是这两种沿不同方向propagating的电子的自旋方向相反,因此有一个净的自旋流,而且类似于霍尔效应,这个自旋流的自旋conductance也是量子化的,因此称为自旋量子霍尔效应。

自旋量子霍尔效应实验中和量子霍尔效应很不一样的一点就是,没有外加磁场。

如果有了外加磁场,体系的time reversal symmetry被破坏,这个时候自旋量子霍尔效应不在存在。

拓扑绝缘体:自旋量子霍尔效应体系是拓扑绝缘体中的一种。

自旋量子霍尔效应中每个边界上有两个边界能带,这两个能带的chirality是一样的,因此会出现自旋量子霍尔效应,但是假设我们一个边界上有四个band,两个能带的chirality一样,但是另两个band的chirality 不一样,那么此时沿边界上一个方向走的电子自旋可以为正,也可以为负,两者数目相等,相消。

疏水石墨烯水相分散液的制备及电化学性能

疏水石墨烯水相分散液的制备及电化学性能

疏水石墨烯水相分散液的制备及电化学性能金成勋;李丹丹;李久铭;余愿;李豫珍;只金芳【摘要】通过未添加表面活性剂和稳定剂而得到均匀的石墨烯水相分散液的方法,近来来成为研究的一大热点.本工作通过提高水合肼的用量,来替代表面活性剂或者其它稳定剂的作用,得到了良好的均匀的水相石墨烯分散液,可长期稳定存放,6个月内未发生团聚现象.其Zeta电位低于-32.5mV(pH值为5.89),原子力显微镜和透射电子显微镜图像表明产物为具有褶皱结构的、六方晶系的单层石墨烯结构,厚度为0.38nm.XPS分析显示这种方法对于除去羟基和环氧基团起到了有效的作用.利用这种分散液所制备的石墨烯-玻碳电极(GE-GCE)在检测抗坏血酸(AA)和尿酸(UA)时,比普通玻碳电极(GCE)显示出更良好的电化学响应.%The direct dispersion of hydrophobic graphene sheets in water without the assistant of surfactant stabilizers has recently been recognized as an important task for production of individual graphene sheets. We developed a facial method to disperse hydrophobic graphene sheets in aqueous medium through enlarging the amount of hydrazine-hydrate in the absence of surfactant or any other foreign electrostatic stabilization agents. Homogeneous aqueous graphene dispersion had produced lower zeta potential of more negative than-32. 5 mV at solution pH of 5. 89 and was stable for six months without any precipitate. The folded individual single-layer graphene sheets with 0. 38 nm layer thick and the formation of a hexagonal crystalline graphene structure were observed from AFM and TEM images, respectively. XPS analysis showed the efficient reduction of graphene oxide. As-prepared graphene-glassy carbon electrode (GE-GCE)showed a relatively sensitive electrochemical response toward the detection of AA and UA than glassy carbon electrode (GCE).【期刊名称】《影像科学与光化学》【年(卷),期】2012(030)004【总页数】9页(P280-288)【关键词】石墨烯;分散液;水合肼;电化学响应【作者】金成勋;李丹丹;李久铭;余愿;李豫珍;只金芳【作者单位】中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;朝鲜国家科学院电子材料研究所功能材料实验室,平壤,朝鲜;中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190;中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室,北京100190【正文语种】中文【中图分类】O64石墨烯是一种具有蜂巢状晶格结构的二维碳素材料,具有优良的电、热和机械性能[1-2],可应用于多领域,如纳米电子器件[3,4]、纳米复合材料[5-7]、化学传感器和生物传感器[8-11]等.目前,已报道的制备石墨烯方法有机械剥离法[12]、晶体外延法[13]、化学气相沉积法(CVD)[14]以及化学溶液法[15-23]等.其中,化学溶液法成本低,在石墨烯制备中得到广泛使用,但是溶液法中所制备的石墨烯片在无分散剂或者稳定剂存在的情况下,容易发生团聚,影响石墨烯的性能.所以如何阻止石墨烯团聚,是一项很重要的工作[15].前人为了获得稳定的石墨烯分散液,通常利用了一些添加剂,如聚合物稳定剂[16,17],表面活性剂[18,19]或者是其他小分子稳定剂[20,21].然而,所添加的异物存在于石墨烯片之间,会降低石墨烯的纯度,影响它的性能.因此,不添加表面活性剂制备石墨烯分散液的方法受到关注[15,22,23].Li[15]等用适当量的肼和氨水来得到石墨烯水相分散液,所产生的石墨烯片显示厚度为1 nm.而Vincent[22]等在无水肼中分散氧化石墨烯膜,制备了石墨烯-无水肼分散液,得到的石墨烯片厚度为0.6 nm.而文献[23]中虽然也以过量肼还原氧化石墨烯(氧化石墨与肼质量比是1∶125),并在乙醇/水混合溶液中分散产物,但未能制成单层石墨烯片,且稳定期间只有几周.本文介绍一种稳定的石墨烯水相分散液的制备方法,用大量水合肼(氧化石墨与肼质量比是1:295)来代替其它稳定剂,所制得的石墨烯片厚度为0.38 nm,而且可有长达6个月的稳定期.利用该分散液制备的石墨烯-玻碳电极用于检测AA和UA时,其电化学响应良好.1 实验部分1.1 氧化石墨烯(GO)的水分散液的制备氧化石墨烯是由纯净的天然石墨粉(Sigma-Aldrich公司)经氧化处理而成[24].氧化石墨烯首先用2 mol/L的盐酸除去金属离子,去离子水洗净,然后用140 mL的去离子水溶解,制成0.57 mg/mL的悬浮液.制得的GO悬浮液经超声波处理器处理30 min,再用离心机(旋转速率10000转/min)进行15 min的离心处理,除去未氧化剥离成片的石墨,最后制得均匀的0.5 mg/mL的黄褐色GO分散液.1.2 石墨烯(GE)水相分散液的制备GE水相分散液是通过简单的化学还原反应制备的.水合肼作为还原剂,不添加任何分散剂.将10 mL的水合肼(质量分数为80%)与70 mL GO水相分散液(浓度为0.5 mg/mL)混合,于70°C下搅拌12 h,最终制得石墨烯(GE)的水相分散液.1.3 石墨烯-玻碳电极(Graphene-Glassy Carbon Electrode,GE-GCE)的制备将已制备的石墨烯分散液用去离子水稀释22倍,超声波处理5 min.将稀释好的石墨烯溶液与等体积的乙醇混合,超声处理1 min.然后将5μL的溶液滴加在玻碳电极上,自然干燥1 h.滴加溶液前,将玻碳电极依次用1.0、0.3、0.05的氧化铝粉抛光,然后在水和乙醇中分别经超声波处理一段时间,室温干燥.然后直接用于电化学检测.1.4 仪器设备由Zeta电位分析仪(Zetasizer 3000 HSA,Malvern仪器,英国)检测所制备的石墨烯和氧化石墨水相分散液的Zeta电位.利用UV-Vis分光光度仪(Varian Cry5000)表征所制备的石墨烯和氧化石墨水相分散液的吸收特性.石墨烯片的AFM和TEM图像是分别用原子力学显微镜(Veeco,美国)和透射电子显微镜TEM(Philips Tec nai G20)得到的.XPS(扫描X射线微探针,PHI Quantera,ULVAC-PHI,Inc.)用以表征氧基功能团的还原程度.样品的结晶度用X射线衍射仪(XD-2,Cu/Kα,5°—70°;Purkinje General Instrument Co.,Ltd)表征.电化学检测在电化学工作站(263A Princeton)上进行,采用三电极体系,其中工作电极是直径为3 mm的被GE石墨烯片修饰的玻碳电极,参比电极是Ag/AgCl电极,对电极是Pt电极.2 结果与讨论石墨烯片本身具有容易凝聚的属性.水溶液中石墨烯片之间吸引力和排斥力只有在达到平衡的条件下,才能保持稳定性.相反,氧化石墨因具有许多含氧功能团形成的层状结构,通过简单的超声波处理,就能够分散在水中.GO的Zeta电位值表明,带负电的GO层通过静电斥力能形成稳定的水悬浮液(图1a).水溶液中如果没有表面活性剂或者其它稳定剂,肼还原的疏水石墨烯片很容易团聚[15,21].我们未添加任何表面活性剂或稳定剂,仅增大水合肼的用量来制备石墨烯水分散液,以提高其纯度和还原度.过量的肼不仅可以对氧化石墨烯片起到还原剂的作用,而且可环绕在疏水性石墨烯片周围,增大石墨烯片间的排斥力,从而阻止石墨烯片在水中的团聚.图1 (a)GO和GE分散液(浓度约为0.06 mg/mL)的Zeta电位值随pH变化的曲线;(b)制备的GE稳定分散液(GO∶N2 H 4=1∶295,质量比)的Zeta电位曲线Zeta potential of GO and GE aqueous dispersion(at concentration of~0.06 mg/mL)as a function of pH(a),and Zeta potential curve of stable aqueous GE dispersion(GO∶N2 H 4=1∶295,mass ratio)(b)图1(a)显示随着水合肼含量增加,溶液的pH值逐渐增大,对于pH值在5.81—9.21范围内的GE水分散液,Zeta电位值低于一般稳定值(-30 m V),说明在不使用其他稳定剂的条件下也可以形成稳定的石墨烯水相分散液.图1(b)是所制备的稳定的石墨烯水相分散液(氧化石墨与肼质量比是1∶295)的Zeta电位曲线.可以看出这条曲线在-32.5m V的Zeta电位位置形成很窄且强的曲线,可证明石墨烯水分散液的稳定性.这种GE水分散液能稳定存在六个月,不产生任何团聚物(见图2).均匀的GE水分散液用紫外可见光光谱仪表征(图3),图中显示,GO悬浮液的吸收峰在230 nm处,而GE水分散液的峰值在265 nm处,有明显的红移,说明经过还原过程,形成了均匀的石墨烯分散液[25].图4所示是GE分散液中石墨烯片的TEM和AFM图像.图4(a)是高倍TEM电镜照片,说明分散液是由一些超薄石墨烯片组成的,并且能观测到典型的褶皱结构.选区电子衍射(SAED)测试显示有明显的6点对称.这些内外侧的衍射点与石墨的(1100)和(2110)晶面相对应.可以看出内侧点比外侧点更亮,说明被观测的石墨烯片是单层的[5-7].图4b的AFM照片显示两个单层石墨烯片(约2μm大小)重叠的样子.两箭头间的高度差是0.38 nm,表明制备的样品几乎是纯净的单层石墨烯片.黄色的带线可能是褶皱区域,与TEM的结果是一致的.图5是对GO和GE的高倍XPS分析,可见氧基功能团在GO中以C—O(碳氧单键,286.8e V)、C O(羰基,288.0e V)和O—C O(羧基,289.1e V)的形式存在[25,26][图5(a)].图5(b)表明,GE中的碳氧键明显被还原,形成了C—C/CC(284.8 e V)的sp2杂化轨道.而GE中的C—N键(285.7 e V)说明还原过程中出现了与肼相关的基团.GO和GE的O1s光谱[图5(c)、5(d)]进一步证实了因过量水合肼而引起的脱氧过程.O1s光谱中有位于532.5 eV(C—OH)、530.6 e V(OC—OH)、533.1 e V(H 2 O)、531.7 e V(CO)[27]的峰,这些峰的相对强度说明过量水合肼对于氧基功能团有明显的还原作用.图6是GCE和GE-GCE在含有0.01 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol/L KCl溶液中,以50 m V/s扫描获得的循环伏安曲线.GE-GCE电极的峰电流是GCE电极的1.6倍,峰间距基本相同,由此可以看出未加分散剂制备的石墨烯片显示出更加良好的电化学响应.图6 GCE(虚线)和GE-GCE(实线)的循环伏安曲线电解质:含有0.01 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-的0.1 mol/L KCl溶液,扫描速率:50 m V/sCVs of bare GCE(dash line)and GE-GCE(solid line)in 0.1 mol/L KCl supporting electrolyte containing 0.01 mol/L[Fe(CN)6]3-/4-,scan rate:50 m V/s图7中对比了GCE电极和GE-GCE电极分别在UA和AA溶液中的电化学响应.GE-GCE的响应峰较窄,而且氧化峰电流是GCE的1.5倍[图7(a)].此外,GE-GCE在AA中的响应比GCE要强[图7(b)].未加分散剂所制备的石墨烯片在玻碳电极上对于UA和AA有明显响应,这是由于未加分散剂所得到的石墨烯片具有良好的载流子传递特性,而且石墨烯片本身的边界结构对于电化学响应起到有利的作用[10,11].当氧化石墨和肼的质量比是1∶295时,所得到的石墨烯水相分散液是最稳定的,因此由这种分散液所制备的石墨烯片更明显地显示出石墨烯片本身的特性.3 结论图7 GCE电极(虚线)和GE-GCE电极(实线)分别在1 mmol/L UA(a)和1 mmol/L AA(b)中的循环伏安曲线电解质:0.1 mol/L(pH 7.4)PBS溶液,扫描速率:50 m V/sCVs of 1 mmol/L UA(a)and 1mmol/L AA(b)based on bare GCE(dash line)and GE-GCE(solid line)in 0.1 mol/L (pH 7.4)PBS solution,scan rate:50 m V/s在不添加何异质表面活性稳定剂的条件下,用过量肼(GO∶N2 H 4=1∶295,mass ratio)制备稳定的石墨烯水相分散液.所得到的石墨烯片厚度为0.38 nm,接近于理想单层石墨烯厚度.肼除了用作还原剂还原氧化石墨烯外,还环绕在疏水性石墨烯片之间,增大了排斥力阻止凝聚,提高了稳定性.所制备的石墨烯水相分散体系放置6个月后未出现任何凝聚物,可稳定存在.由石墨烯分散液所制备的石墨烯,具有良好的电化学性能.致谢:本研究得到中国国家自然科学基金(21175144)和中国留学基金委的资助,对此我们深表感谢.参考文献:[1] Novoselov K S,Jiang Z,Zhang Y,et al.Room-temperature quantum hall effect in graphene[J].Science,2007,135(5817):1379.[2] Özyi lmaz B,Herrero P J,Efetov D,et al.Electronic transport in locally gated graphene nanoconstrictions[J].Appl.Phys.Lett.,2007,91(192107):1-3.[3] Tung V C,Allenm J,Yang Y,et al.High-throughput solution processing of large-scale graphene[J].Nature Nanotechnology,2009,4:25-29.[4] Eda G,Fanchini G,Chhowalla rge-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronicmaterial[J].Nature Nanotechnology,2008,3:270-274.[5] Liao K H,Mittal A,Bose S,et al.Aqueous only route toward graphene from graphite oxide[J].ACS NANO,2011,5(2):1253-1258.[6] Li S S,Tu K H,Lin C C,et al.Solution-processable graphene oxide as an efficient hole transport layer in polymer solar cells[J].ACS NANO,2010,4(6):3169-3174.[7] Chen G L,Shau S M,Juang T Y,et al.Single-layered graphene oxide nanosheet/polyaniline hybrids fabricated through direct molecular exfoliation[J].Langmuir,2011,27(23):14563-14569.[8] Hou S F,Kasner mL,Su S J,et al.Highly sensitive and selective dopamine biosensor fabricated with silanized graphene[J].J.Phys.Chem.C,2010,114(35):14915-14921.[9] Dey R S,Raj C R.Development of an amperometric cholesterol biosensor based on graphene Pt nanoparticle hybridmaterial[J].J.Phys.Chem.C,2010,114(49):21427-21433.[10] Artiles M S,Rout C S,Fisher T S.Graphene-based hybrid materials and devices for biosensing[J].Adv.Drug Deliv.Rev,2011,63(14-15):1352-1360.[11] Kuilaa T,Bosea S,Khanraa P,et al.Recent advances in graphene-based biosensors[J].Biosensors and Bioelectronics,2011,26(12):4637-4648.[12] Geim A K,Novoselov K S.The rise of grapheme[J].Nature materials,2007,6:183-191.[13] Zangwill A,Vvedensky D D.Novel growth mechanism of epitaxial graphene onmetals[J].Nano Lett.,2011,11(5):2092-2095.[14] Li X S,Zhu Y W,Cai W W,et al.Transfer of large-area graphene films for high-performance transparent conductive electrodes[J].Nano Lett.,2009,9(12):4359-4363.[15] Li D,mLler M B,Gilje S,et al.Processable aqueous dispersion of graphene nanosheets[J].Nature Nanotechnology,2008,3:101-105. [16] Liu S,Tian J Q,Wang L,et al.Stable aqueous dispersion of graphene nanosheets:noncovalent functionalization by a polymeric reducing agent and their subsequent decoration with Ag nanoparticles for enzymelesshydrogen peroxide detection[J].Macromolecules,2010,43(23):10078-10083.[17] Jo K Y,Lee T M,Choi H J,et al.Stable aqueous dispersion of reduced graphene nanosheets via non-covalent functionalization with conducting polymers and application in transparent electrodes[J].Langmuir,2011,27(5):2014-2018.[18] Park S,Mohanty N,Suk J.W,et al.Biocompatible,robust free-standing paper composed of a tween/graphene composite[J].Adv.Mater,2010,22(15):1736.[19] Green A A,Hersam M C.Solution phase production of graphene with controlled thickness via density differentiation[J].Nano Lett.,2009,9(12):4031-4036.[20] Xu Y X,Bai H,Lu G W,et al.Flexible graphene films via the filtration of water-soluble noncovalent functionalized graphenesheets[J].Am.Chem.Soc.,2008,130(18):5856-5857.[21] Si Y C,Samulski E T.Synthesis of water soluble graphene[J].Nano Lett.,2008,8(6):1679-1682.[22] Tung V C,Allenm J,Yang Y,et al.High-throughput solution processing of large-scale graphene[J].Nature Nanotechnology,2009,4:25-29.[23] Pham V H,Cuong T V,Hur S H,et al.Fast and simple fabrication of a large transparent chemicallyconverted graphene film by spray-coating[J].Carbon,2010,48(7):1945-1951.[24] Kovtyukhova N I,Ollivier P J,Martin B R,et yer-by-layerassembly of ultrathin composite films from micron-sized graphite oxide sheets and polycations[J].Chem.Mater.,1999,11(3):771-778.[25] Kim T Y,Lee H W,Kim J E,et al.Synthesis of phase transferable graphene sheets using ionic liquid polymers[J].ACS NANO,2010,4(3):1612-1618.[26] Liu J,Jeong H,Liu J,et al.Reduction of functionalized graphite oxides by trioctylphosphine in non-polar organic solvents[J].Carbon,2010,48(8):2282-2289.[27] Akhavan O.The effect of heat treatment on formation of graphene thin films from graphene oxide nanosheets[J].Carbon,2010,48(2):509-519.。

石墨烯简介

石墨烯简介
抗热震性:石墨在高温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏,温度突变时,石墨的体积 变化不大,不会产生裂纹。
石墨烯的特性
石墨烯是目前已知的世界上最薄的材料,也是有史以来被证实的最结实的材料,其强度可达130 GPa,是钢的100多倍,,其断裂强度达到了惊人的42NM-1;最新的研究表明,石墨烯具有 10 倍于商用硅片的高载流子迁移率(15000 cm2V-1s-1) ,石墨烯的热导率可达5000W/ m·K, 是室温下纯金刚石的 3倍。目前试验还证实了石墨烯中的电子和空穴成对现象(ElectronHole Symmetry),半整数量子霍尔效应(Half-integer Quantum Hall Effect),室温量子霍尔 效应(Room-Temperature Quantum Hall Effect)等多种独特的电子结构和性质。
化学稳定性:石墨在常温下具有良好的化学稳定性,能耐酸碱、耐有机溶剂的腐蚀。
润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小,鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。石 墨为层状耐磨矿物,其Bond粉碎功指数高达45.03kw/t,相较于粘土的7.1kw/t、黄铁矿的 8.9kw/t,以及石英的12.77kw/t高出许多.
目前有三种方法制备石墨烯,一种是SiC的高温热解外延法或过渡族金属催化外延法,另一 种是轻微摩擦法或撕胶带法.第三种是化学修饰分散/还原法.
石墨烯是之中。用来开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣和“太空电梯” 用的超韧缆线,研究表明石墨烯增强聚乙烯醇(PVA)复合材料,只需要添加0.7%(重量 比)的石墨烯,就可以使复合材料的拉伸强度提高76 %,同时其杨氏模量增加62%;另 外,在功能化石墨烯增强的聚氨酯复合材料中,石墨烯含量为1%时,其复合材料的强度 提高75%,模量提高120 %。

反常量子霍尔效应

反常量子霍尔效应

3 Anomalous Quantum Hall Effect
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历时近4年,20多名学生参与,尝试了1000多个 样品,终于取得了微电子学、集成电路integrated circuit发 展的一个重大突破。清华大学和中科院物理所Chinese Academy of Science今天在北京联合宣布,他们组成的团 队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应。这一重大 科技发现,是凝聚态物理领域的重大突破,将可能加 速推进信息技术革命,在未来研制出极低能耗的电子 器件。
Quantum Hall effect can solve the problem of electron collisional heating, which may have great potential uses in quantum information storage, and quantum calculations. It may also lead to a new generation of large-scale integrated circuits and components, which will have a very low energy consumption.

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如今中国科学家在实验上实现了零磁场中的量子霍 尔效应,就有可能利用其无耗散的边缘态发展新一 代的低能耗晶体管和电子学器件,从而解决电脑发 热问题和摩尔定律的瓶颈问题。这些效应可能在未 来电子器件中发挥特殊作用:无需高强磁场,就可 以制备低能耗的高速电子器件,例如极低能耗的芯 片,进而可能促成高容错的全拓扑量子计算机的诞 生——这意味着个人电脑未来可能得以更新换代。

霍尔效应和量子霍尔效应

霍尔效应和量子霍尔效应

霍尔效应和量子霍尔效应
霍尔效应(Hall effect)是指当一个电流通过导体时,该导体中垂直于电流方向的磁场会产生一个横向电势差的现象。

这个现象是由美国物理学家爱德华·霍尔在1879年首次发现并解释的,因此被称为“霍尔效应”。

当一个电流I通过一片材料时,产生的磁场会对该材料中的电子进行偏转。

根据洛伦兹力的作用,横向磁场\mathbf{B}会对电子施加一个力,使得电子在材料中沿着垂直于电流方向的方向上移动。

这种偏转导致电子在材料的一个侧面上积累过多,而在另一侧面上积累过少,从而形成一个电势差。

这个电势差称为“霍尔电势差”(Hall voltage),记作V_H。

霍尔效应在实际应用中具有重要意义,例如用于精确测量磁场强度、测量导电性和磁性的材料等。

量子霍尔效应(Quantum Hall effect)是霍尔效应的一种特殊情况,它在极低温和强磁场下观察到。

量子霍尔效应中,电导率取离散值,而不像传统的霍尔效应一样呈现连续变化。

量子霍尔效应的离散值是通过基本电荷的倍数来表示的,这反映了材料中的电子行为具有量子级别的结构。

量子霍尔效应的发现是在1980年代由诺贝尔物理学奖获得者克拉斯诺夫和范普鲁伊森等人首次观测到。

量子霍尔效应的研究对于理解电子在二维材料中的行为,
以及量子态和拓扑态的性质具有重要的意义。

此外,量子霍尔效应在现代的纳米电子学和量子计算领域中也发挥了重要的作用。

量子霍尔效应原理

量子霍尔效应原理

量子霍尔效应原理量子霍尔效应(quantum Hall effect,QHE)是指在强磁场下,二维电子气体中出现整除的基本电荷的离散Hall电导。

该效应于1980年首次被德国物理学家Klaus von Klitzing实验证明,因此他获得了1985年的诺贝尔物理学奖。

该效应在微电子学中具有重要意义,是开发高效的电子元件的基础。

量子霍尔效应原理包括以下几个方面:1. 磁场作用:在一定的强磁场下,电子气体的电子将朝同一方向相互排斥,形成许多正负电荷隔离的小块。

这些块被称为“霍尔细胞”,内部电行为呈凝结态,外部呈电导态,构成量子霍尔效应。

2. 孤立子的存在:霍尔细胞中存在孤立子,即电子跃迁时,其能级发生分裂,形成两个不同的能级。

由于电子的波函数只能在能级之间跃迁,因此孤立子对电子的运动起到了限制作用,导致电子在霍尔细胞内排布呈离散状态,从而形成量子霍尔效应。

3. 费米-狄拉克统计:费米-狄拉克统计是导致量子霍尔效应的关键之一。

在磁场中,电子由于自旋的存在和量子力学的约束,只能呈现离散能级。

这导致在磁场的作用下,电子排列方式具有一些特殊的性质,称为费米-狄拉克统计。

4. 量子霍尔效应中的基本电荷:在量子霍尔效应中,电荷的传输被限制在霍尔细胞内,而不是整个电子气体中。

电子在霍尔细胞中按整数倍的基本电荷q传输,这个基本电荷q是元电荷的N倍,即q = N ×e,其中 e 是电子的电荷,N 是任意整数。

5. 分数量子霍尔效应:分数量子霍尔效应是指在某些分数分子填充状态下,在极低温下,磁场中布洛赫电子发生量子霍尔效应。

这种效应和量子霍尔效应相似,但其中的基本电荷是分数形式的。

总之,量子霍尔效应是自然界中具有重大影响的现象之一,其在电子学领域的发展对未来的技术革新具有深远的影响。

需要不断深入研究,以探索其潜在的应用价值。

ROOM TEMPERATURE QUANTUM FIELD EFFECT TRANSISTOR C

ROOM TEMPERATURE QUANTUM FIELD EFFECT TRANSISTOR C

专利名称:ROOM TEMPERATURE QUANTUM FIELD EFFECT TRANSISTOR COMPRISING A 2-DIMENSIONAL QUANTUM WIRE ARRAYBASED ON IDEALLY CONDUCTINGMOLECULES发明人:Dr. Ohnesorge, Frank申请号:EP10768068.8申请日:20100913公开号:EP2477939A2公开日:20120725专利内容由知识产权出版社提供摘要:One, several or very many parallel quantum wires, e.g. especially 1-dimensional quantum-conducting heavy ion tracks—“true” quantum wires at room temperature—see similarly EP1096569A1 [1] and [2], or also perhaps SWCNTs, vertically directed or also slightly tilted—up to about 45 degrees—arranged in a 2 dimensional plane, which as a 2-dimensional array interconnect the source and drain contacts of the here invented transistor, are modulated with respect to their quantum-mechanical conductivity via the strength of an applied electric or magnetic field [3], which is homogenous or variable in space locally across the 2 dimensional quantum wire array. The I-V curves of such quantum wires are measured via a double resonant tunnelling effect which allows identifying quantum effects at room temperature. A “true” quantum wire is characterized by quantized current steps and sharp current peaks in the I-V (Isd versus Usd, not just Is a versus Ugate) curve. In the ideal case the quantum wires consist of straight polyacetylene-reminiscent molecules of the cumulene form ( . . .═C═C═C═C═C═C═ . . . ) or of the form ( . . . —C≡C—C≡C—C≡C— . . . ) which are generated by the energy deposition during the single swift (heavy) ions' passage through the insulating DLC-layer. The switching time of the transistor is determined practically solely by the switching time of the magnetic field (time constant of the “magnetic gate”), the ohmic resistance of the source-drain connection via the quantum wire array is in the conducting state practically zero. The controlling “gate”-magnetic field having a component normal to the quantum wires can be generated by a small controlling current through some inductance (embodiment 1, FIG. 7, 8, 9, 10, 11) or also by a suitable (locally variable) direction of the magnetization in a ferromagnetic thin layer (e.g. Fe, Co, Ni, etc.)—embodiment 2, FIG. 8, 9, 10, 11—, or also for example in a thin layer consisting of metallic (ferromagnetic) nanoparticles (e.g. Fe, Co, Ni, etc.) or also “current-less”through an electrostatically charged tip (embodiment 3a analogous to FIG. 7) or via a suitable polarization of a ferroelectric thin layer or liquid crystals/nanoparticles in an electric field—embodiment 3b, as in FIG. 8, 9, 10, 11. The quantum wire transistor can also be switched/controlled optically. Applications in the case of very large arrays(>1010/cm2 parallel QWs) would be a power transistor, in the case of very small arrays (single or a few parallel QWs) it would be non-volatile information storage, where due to the particular properties of 1-dimensional quantized conductivity a multi-level logic can be realized. In the case of optical switching/controlling of the quantum wire transistor, an extremely highly resolving 2-dimensional array of photodetectors is envisionable, where in that case the single QWs would have to be electrically connected one by one, e.g. reminiscent of the concept of a Nand- or Nor-Flash-Ram, whose size scale in turn is supposedly determining the limit of the achievable area density of the pixels. A feasible concept for a read-out matrix for possible applications of these quantum field effect transistors as a non-volatile memory chip or as a ultrahighly resolving light pixel detector array is reminiscent of the concept of a Nor-Flash-Ram. The concept is comprising a crossed comb structure of nanometric electrically conducting conventional leads on either side of the DLC-layer embedding the vertical quantum wires as shown in FIG. 23each crossing on average being interconnected by one or a few ion track quantum wires.A feasible concept for a wiring matrix writing onto the quantum field effect transistors for a non-volatile memory chip is shown in FIG. 11 comprising a meander-shaped circuitry.申请人:Dr. Ohnesorge, Frank地址:Jungstr. 12 Bavaria 91054 Erlangen DE国籍:DE更多信息请下载全文后查看。

量子霍尔效应 石墨烯

量子霍尔效应 石墨烯

量子霍尔效应石墨烯量子霍尔效应(Quantum Hall Effect,QHE)是一种基于量子力学的电子输运现象,于1980年首次在石墨烯系统中被观察到。

在这个效应中,电子在强磁场下,沿着导电样品表面的边缘绕行,而在样品内部呈现出特定的电荷分数化的态,这种特殊的输运现象具有极高的精确度和量子化的特征,因此引起了广泛的研究兴趣。

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的二维晶格结构,具有高导电性和独特的电子结构。

由于石墨烯的表面形态是二维的,电子运动受到二维空间的限制,因此可以通过控制外加磁场来研究量子霍尔效应。

在1980年,德国物理学家Klitzing和他的团队首次观察到了量子霍尔效应的存在,他们通过对高电子迁移率二维电子气的研究,成功地发现了电子的霍尔电阻呈现出精确的量子化行为。

随后,他们发现电导率量子在绝对温度下具有普遍的值,这个值被称为冯·克尔-兰道电导率,可以用来解释电子运动的特性。

当石墨烯受到垂直外加磁场的作用时,电子将在二维平面上形成特殊的能级结构,这被称为兰道能级。

兰道能级在垂直磁场下呈现离散的量子态,能级之间的间隔被称为兰道能级间隔。

当样品的费米能级位于两个兰道能级之间时,电子体系呈现为一种不同于普通固体的量子态,这种态被称为分数量子霍尔态(FQHS)。

研究人员通过测量石墨烯样品在不同外加磁场下的电阻或电导率来研究量子霍尔效应。

当磁场增加时,电阻或电导率呈现出间隔性的跳跃,这些跳跃的值恰好对应着分数化的电荷,这被称为分数量子霍尔效应(FQHE)。

分数量子霍尔效应的解释可以通过分析电子之间的相互作用和碰撞效应得到。

量子霍尔效应在石墨烯中被研究的一个重要方面是边界态的性质。

石墨烯的边缘态中的电子运动方式受到二维限制和外加磁场的影响,呈现出分数化电荷和相干传输等特征。

边界态的存在使得石墨烯在纳米电子学和量子计算等领域具有潜在的应用前景。

总之,量子霍尔效应是一种基于量子力学的电子输运现象,通过控制石墨烯样品的外加磁场可以研究和观测到这一效应。

霍尔效应实验方法

霍尔效应实验方法

实验: 霍尔效应与应用设计[教学目标]1. 通过实验掌握霍尔效应基本原理,了解霍尔元件的基本结构;2. 学会测量半导体材料的霍尔系数的实验方法和技术;3. 学会用“对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。

[实验仪器]1.TH -H 型霍尔效应实验仪,主要由规格为>2500GS/A 电磁铁、N 型半导体硅单晶切薄片式样、样品架、I S 和I M 换向开关、V H 和V σ(即V AC )测量选择开关组成。

2.TH -H 型霍尔效应测试仪,主要由样品工作电流源、励磁电流源和直流数字毫伏表组成。

[教学重点]1. 霍尔效应基本原理;2. 测量半导体材料的霍尔系数的实验方法;3. “对称测量法”消除副效应所产生的系统误差的实验方法。

[教学难点]1. 霍尔效应基本原理及霍尔电压结论的电磁学解释与推导;2. 各种副效应来源、性质及消除或减小的实验方法;3. 用最小二乘法处理相关数据得出结论。

[教学过程](一)讲授内容:(1)霍尔效应的发现:1879,霍尔在研究关于载流导体在磁场中的受力性质时发现: “电流通过金属,在磁场作用下产生横向电动势” 。

这种效应被称为霍尔效应。

结论:dB I ne V S H ⋅=1 (2)霍尔效应的解释:霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转。

这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的聚积,从而形成附加的横向电场。

当载流子所受的横电场力H e eE f =与洛仑兹力evB f m =相等时,样品两侧电荷的积累就达到平衡,B e eE H v = (1)bd ne I S v =(2)由 (1)、(2)两式可得: d B I R d B I ne b E V S H S H H =⋅=⋅=1 (3) 比例系数neR H 1=称为霍尔系数,它是反映材料霍尔效应强弱的重要参数, (3) 霍尔效应在理论研究方面的进展1、量子霍尔效应(Quantum Hall Effect)1980年,德国物理学家冯•克利青观察到在超强磁场(18T )和极低温(1.5K )条件下,霍尔电压 UH 与B 之间的关系不再是线性的,出现一系列量子化平台。

物理学中的量子霍尔状态

物理学中的量子霍尔状态

物理学中的量子霍尔状态量子霍尔效应作为一种新奇的物理现象,自从20世纪80年代首次被发现之后,便引起了科学家们的广泛关注。

其中,量子霍尔状态被认为是量子霍尔效应最为关键的部分,是量子电子系统中的一种特殊状态。

虽然量子霍尔状态在物理学上的应用还比较有限,但是对于理解量子体系的性质和研究新型电子器件的设计、制造有着至关重要的作用。

量子霍尔状态是什么?在了解量子霍尔状态之前,我们需要先了解霍尔效应。

霍尔效应是一种将导电性材料置于磁场中时出现的现象。

当通过该材料施加电流时,流经材料的电子在磁场的作用下,会受到洛仑兹力的作用进行圆周运动,并强行把电子与正孔分离,使得材料表面产生一种电势差,也就是霍尔电压。

而量子霍尔状态则是指在这样的体系下,当洛仑兹力所占据的能量等于或大于电子的热能的时候,这些电子会被排列成一种非常有序的方式,形成一种新的物理状态。

量子霍尔状态的物理原理是什么?在水平磁场产生的洛伦兹力作用下,电子开始在磁场的作用下绕着洛伦兹圆轨道运动。

如果系统能量非常低,那么电子的非常强的库伦相互作用会使得所有电子集中在这些洛伦兹圆轨道的边界上,从而形成一个带状的能隙结构。

几何间距某些能级的能带将表现出很强的拓扑性质,而且对于任意的微弱杂质散射也是非常稳定的。

在这种情况下,电子在磁场中的叠加状态会相应地服从Berry相位,从而具有阿哈罗诺夫-博姆效应。

通过磁场的调控,系统能够产生四个量子霍尔平台,其中每一个霍尔平台由单个分数量子霍尔效应(fractional quantum Hall effect,FQHE)的填充极限所确定,这是一个精心制备的二维电子气库伦相互作用,也是得到最深入的理论和实验研究的武器。

量子霍尔状态的应用有哪些?量子霍尔状态虽然在物理学上的应用还相对较少,但是它在一些方面已经得到了广泛的应用。

比如,在能带理论中,量子霍尔状态可以被看作一种标志性的态,它可以用来区分导电性和绝缘性物质态。

此外,由于量子霍尔状态的具有很高的稳定性,因此也可以在微电子学领域得到应用,例如使用量子霍尔效应来实现高精度单自旋Qubit的控制。

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Room -Temperature Quantum Hall Effect in GrapheneK.S. Novoselov 1, Z. Jiang 2, 3, Y. Zhang 2, S.V. Morozov 1, H.L. Stormer 2, U. Zeitler 4, J.C. Maan 4, G.S. Boebinger 3, P. Kim 2* & A.K. Geim 1*1Department of Physics, University of Manchester, M13 9PL, Manchester, UK2Department of Physics, Columbia University, New York, New York 10027, USA3National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee, Florida 32310, USA4High Filed Magnet Laboratory, Radboud University Nijmegen, 6525 ED Nijmegen, NetherlandsThe quantum Hall effect (QHE), one example of a quantum phenomenon that occurs on a truly macroscopic scale, has been attracting intense interest since its discovery in 1980 (1). The QHE is exclusive to two-dimensional (2D) metals and has elucidated many important aspects of quantum physics and deepened our understanding of interacting systems. It has also led to the establishment of a new metrological standard, the resistance quantum h /e 2 that contains only fundamental constants of the electron charge e and the Planck constant h (2). As many other quantum phenomena, the observation of the QHE usually requires low temperatures T , typically below the boiling point of liquid helium (1). Efforts to extend the QHE temperature range by, for example, using semiconductors with small effective masses of charge carriers have so far failed to reach T above 30K (3,4). These efforts are driven by both innate desire to observe apparently fragile quantum phenomena under ambient conditions and the pragmatic need to perform metrology at room or, at least, liquid-nitrogen temperatures. More robust quantum states, implied by their persistence to higher T , would also provide added freedom to investigate finer features of the QHE and, possibly, allow higher quantization accuracy (2). Here, we show that in graphene – a single layer of carbon atoms tightly packed in a honeycomb crystal lattice – the QHE can be observed even at room temperature. This is due to the highly unusual nature of charge carriers in graphene, which behave as massless relativistic particles (Dirac fermions) and move with little scattering under ambient conditions (5).Figure 1 shows the room-T QHE in graphene. The Hall conductivity σxy reveals clearplateaux at 2e 2/h for both electrons and holes, while the longitudinal conductivity ρxxapproaches zero (<10Ω) exhibiting an activation energy ∆E ≈600K (Fig. 1B). Thequantization in σxy is exact within an experimental accuracy of ≈0.2% (see Fig. 1C). Thesurvival of the QHE to such high temperatures can be attributed to the large cyclotrongaps ωh characteristic to Dirac fermions in graphene. Their energy quantization inmagnetic field B is described by |2|BN e v E F N h = where v F ≈106m/s is the Fermivelocity and N an integer Landau level (LL) number (5). The expression yields an energygap ∆E ≈2800K at B =45T if the Fermi energy E F lies between the lowest Landau levelN =0 and the first excited one N =±1 (inset, Fig. 1B). This implies that, in our experimentsat room temperature, ωh exceeded the thermal energy k B T by a factor of 10. Importantly,in addition to the large cyclotron gap, there are a number of other factors that help theQHE in graphene to survive to so high temperatures. First, graphene devices allow forvery high carrier concentrations (up to 1013 cm -2) with only a single 2D subband occupied,which is essential to fully populate the lowest LL even in ultra-high B . This is in contrast totraditional 2D systems (for example, GaAs heterostructures) which are either depopulatedalready in moderate B or exhibit multiple subband occupation leading to the reduction ofthe effective energy gap to values well below ωh . Second, the mobility µ of Diracfermions in our samples does not change appreciably from liquid-helium to roomtemperature. It remains at ≈10,000 cm 2/Vs, which yields a scattering time of 1310~−τsecso that the high field limit 1>>⋅=B µωτ is reached in fields of several T.These characteristics of graphene foster hopes for the room-T QHE observable in fieldssignificantly smaller than 30T. In fact, we observe the Hall plateaus developing already inB <20T at 300K. The need for high B is attributed to broadened LLs due to disorder,which reduces the activation energy. We expect that improving sample homogeneity andachieving higher µ (currently limited by static defects) should allow the observation of theroom-T QHE using conventional magnets. This should open up new vistas for developing graphene-based resistance standards (certainly, operational above liquid-nitrogen temperature) and for novel quantum devices working at elevated temperatures. *e-mail: pkim@ and geim@[1] S. Das Sarma and A. Pinczuk, Perspectives in Quantum Hall Effects , Wiley, New York (1997).[2] B. Jeckelmann, B. Jeanneret. Rep. Prog. Phys. 64, 1603 (2001).[3] S.Q. Murphy et al . Physica E 6, 293 (2000).[4] G. Landwehr et al. Physica E 6, 713 (2000).[5] K.S. Novoselov et al . Nature 438, 197 (2005); Y. Zhang, Y.W. Tan, H.L. Stormer, P. Kim. Nature 438, 201 (2005).[6] This work was supported by EPSRC (UK), Royal Society and Leverhulme Trust, NSF (DMR-03-52738), DOE (DE-AIO2-04ER46133, DE-FG02-05ER4615), FOM (Netherlands), Microsoft Corporation, and W. M. Keck Foundation. The experiments were partially performed at the National High Magnetic Field Laboratory (supported by NSF Cooperative Agreement # DMR-0084173, by the state of Florida, and by DOE) and partially at the European High Field Magnet Laboratory (Nijmegen).Figure 1. Room-temperature QHE in graphene. (A ) – Optical micrograph of one of the devices used in the measurements. The scale is given by the Hall bar’s width of 2 µm. Device fabrication procedures were described in (5). (B ) - σxy (red) and ρxx (blue) as a function of gate voltages V g in a magnetic field of 29 T. Positive (negative) gate voltages V g induce electrons (holes) in concentrations n = (7.2⋅1010 cm -2/V)⋅V g (5). The inset illustrates the Landau level quantization for Dirac fermions. (C ) - Hall resistance R xy for electrons (red) and holes (green) shows the accuracy of the observed quantization at 45 T.。

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