来自美国国家标准与技术研究院（NIST）与美国卡内基梅隆大学的研究人员通过在碳化硅上沉积石墨烯薄膜研制出了一个片上量子霍尔效应电阻基准。通过该项研究进展，可以制作出一种实用的电阻测量装置，相比于目前由砷化镓（GaAs）和铝镓砷（AlGaAs）制作的电阻基准，它的制作更为简单并且价格低廉，使用的要求也更少。
图为石墨烯电阻基准原理示意图
原理
石墨烯电阻基准和GaAs/AlGaAs电阻基准都是基于整数量子霍尔效应：在合适的低温及强磁场条件下，一个二维半导体的电阻会变成量子化的——即普朗克常量与电子电荷平方之比的整数倍（精确到十亿分之一）。在比绝对零度高几度的情况下，当电子穿过一个平面的半导体时，一个垂直方向的电磁场会将这些移动的电荷推向正确的移动方向——负电荷移动向芯片的一段，同时正电荷移动向另一端，这样就在两端之间产生了电压差以及精确地量子化电阻。
来自NIST的研究人员Yanfei Yang、Randolph E. Elmquist及他们的合作者展示了一个高度均匀的、5.6平方厘米大小的石墨烯薄片制作过程，并将其作为二维霍尔效应半导体，并描述了其性能。
GaAs/ALGaAs电阻基准
Elmquist发现，传统的GaAs/AlGaAs量子霍尔效应装置一般需要在1.2开尔文或者更低温度的条件下工作，并且要求大于5特斯拉（5T，比用于磁共振成像的磁场还要强）的磁场。同时，它们还受限于20到80毫安的电流，小于等于1伏的电压。
石墨烯电阻基准
在一次NIST报告中，Elmquist表示：“对于石墨烯来说，它在二维材料中是一个很好的导体，我们在低至2T的磁场下就观察到了完全的量子化。这使得我们可以使用一个更小的、可以放在桌面上的磁场发生装置。在温度高达5K的时候，还有一些石墨烯器件实现了完全的量化，同时，我们观察到了高达720毫安的临界电流，对于量子霍尔效应基准来说这是有史以来最大的电流。”
优势
他说：“如果我们可以在如此大的电流下进行测量，其带来的结果是，我们可以准确地对一个拥有相似电流值的室温电阻（如1千欧或者10千欧的电阻）进行校准。因为可以在更低的磁场、更高的温度、更高的电流下工作，我们可以建立更为简单的系统：一个不需要使用液态氦的闭环式制冷装置。相比而言，在NIST我们一年只能运行两次GaAs的系统，因为运行液态氦系统的花销和难度太大了。
下一步工作
Elmquist补充道，NIST的物理测量实验室已经开始了与加拿大国际测量有限公司（MI. Ltd，加拿大安大略省，普雷斯科特）的合作研发计划。基于石墨烯的量子霍尔效应电阻基准有望在一两年内面市。
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