Metrology de l'Effet Hall Quantique dans le graphène – metrograph

La définition moderne de l’Ohm est basée sur l’effet Hall Quantique découvert par von Klitzing en 1981. En résumé, un conducteur planaire voit sa résistance transverse prendre une valeur quantifiée lorsqu’un champ magnétique intense est présent perpendiculairement au plan du conducteur. La valeur de cette résistance est donnée par RK/N ou N est un entier, RK = h/e2 est la constanced de von Klitzing, h est la constante de Planck et e est la charge de l’électron. De nos jours, tous les étalons de résistance basée sur cette résistance quantique sont fabriqués à partir de semiconducteur GaAs/GaAlAs. Il faut mesurer la résistance à très basse température (1.5K) et sous fort champ (10 Teslas) pour observer une incertitude relative de 1 pour un milliard sur la valeur de la résistance.

Récemment, Tzalenchuk et ses collaborateurs ont approché ce niveau d’incertitude avec une barre de Hall faite non pas en GaAs/GaAlAs mais en graphène. Ce succès est basé sur le fait que le graphène a un plus grand espacement entre ses niveaux de Landau que le GaAs, et que le substrat utilisé (le carbure de silicium, SiC) est moins perturbant que les substrats habituels. Le graphène apparaît donc comme la première application pour laquelle la graphène pourrait remplacer un semiconducteur.

Dans ce projet, nous nous proposons de dépasser ces premiers résultats en améliorant l’homogénéité du graphène, le procédé de lithographie, en optimisant la géométrie. Nous nous concentrerons pour l’essentiel sur la face carbone du carbure de silicium (SiC) qui a une meilleure mobilité. Les echantillons proviendront de l’université de Linkoping (Suède) et du Centre National de Microélectronique (CNM, Espagne). D’autres méthodes seront également testées : CVD au CEA et à Annealsys, épitaxie au Laboratoire Coulomb. Les échantillons seront testés par Raman, AFM, ARPES et STM, les meilleurs d’entre eux verront leurs propriétés électriques étudiées. Les tests finaux de métrologie seront menés au Laboratoire National de Métrologie (LNE). Les tests les plus poussés utiliseront un pont de Wheatstone permettant de limiter l’imprécision relative à quelques 10E-12.