本技術(shù)涉及量子反?；魻栃?yīng)薄膜，具體而言，涉及一種用于量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度的測(cè)定方法。

背景技術(shù)：

1、量子反常霍爾效應(yīng)(quantum?anomalous?hall?effect，qahe)薄膜在無外加磁場(chǎng)條件下可以表現(xiàn)出具有量子化數(shù)值的霍爾電導(dǎo)率(或霍爾電阻)，這種特殊的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)在電子學(xué)器件方面具有重要的基礎(chǔ)研究意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值。特別是現(xiàn)有理論指出，基于量子反常霍爾效應(yīng)薄膜，可以利用覆蓋超導(dǎo)材料的方式，構(gòu)建手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體。量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度通常在6nm以內(nèi)，量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度與物理性質(zhì)有緊密的關(guān)聯(lián)，所以準(zhǔn)確測(cè)定量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度是在制成電子學(xué)器件之前最為重要的測(cè)試項(xiàng)目。

2、目前，常見的量子反常霍爾效應(yīng)薄膜有效厚度的測(cè)量方法主要依賴于反射高能電子衍射儀、原子力顯微鏡、透射電鏡、x射線反射率、橢圓偏振光譜和拉曼光譜等技術(shù)手段。

3、但是，上述這些測(cè)量方法得到的厚度數(shù)據(jù)，嚴(yán)重依賴襯底和生長溫度等具體細(xì)節(jié)，且在某些條件下精度受限，所獲得的結(jié)果不能與薄膜在電學(xué)方面的輸運(yùn)性質(zhì)作對(duì)比，不能用來預(yù)測(cè)最終電子學(xué)器件的性能。

4、反射高能電子衍射儀(reflection?high-energy?electron?diffraction，rheed)是薄膜生長過程中檢測(cè)厚度變化最常用的手段，然而作為表面表征工藝，rheed僅能通過在生長過程中持續(xù)測(cè)量得到厚度數(shù)據(jù)，無法在生長完成后測(cè)量，無法反復(fù)測(cè)量。另外，在薄膜生長初期，對(duì)于第一層原子尚未鋪滿整個(gè)襯底的狀態(tài)無法顯示出薄膜特有的衍射峰，因此有一定的系統(tǒng)誤差，精度較低(誤差高于單層厚度)，同時(shí)數(shù)據(jù)依賴技術(shù)人員人工分析，難以通過計(jì)算機(jī)算法替代。

5、原子力顯微鏡(atomic?force?microscope，afm)：afm厚度測(cè)量要求薄膜在襯底上有銳利的臺(tái)階(臺(tái)階寬度低于微米級(jí))，即要求在刻蝕薄膜的同時(shí)對(duì)下方襯底完全無害。對(duì)于樣品表面的污染或吸附的分子很敏感，限制過大，通常有1nm到2nm的系統(tǒng)誤差，對(duì)工藝要求較高。

6、透射電鏡(transmission?electron?microscope，tem)：tem厚度測(cè)量要求使用有損加工技術(shù)切割得到樣品的橫截面，并在低溫真空環(huán)境中表征，切割技術(shù)包括但不限于聚焦離子束(focused?ion?beam，fib)刻蝕技術(shù)等，工藝步驟復(fù)雜，耗時(shí)長，成本高，對(duì)專業(yè)技術(shù)要求高，另外該技術(shù)總體上屬于破壞性測(cè)量，樣品無法重復(fù)使用。

7、x射線反射率(x-ray?reflectivity，xrr)：xrr可測(cè)量厚度范圍有限(10-100納米)，無法測(cè)量多層結(jié)構(gòu)，x射線光源成本高。

8、橢圓偏振光譜(elliptical?polarization?spectroscopy)和拉曼光譜(ramanspectroscopy)等光學(xué)表征方法：薄膜厚度較光穿透深度差別過大(小于千分之一)，導(dǎo)致信噪比過大，精度不足。此外，光學(xué)表征方法普遍對(duì)薄膜表面污染過于敏感。

9、上述方法均存在一定的系統(tǒng)誤差，不能系統(tǒng)的去除襯底或表面吸附物對(duì)樣品結(jié)構(gòu)的影響，所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能與薄膜在電學(xué)方面的輸運(yùn)性質(zhì)直接進(jìn)行對(duì)比，不能用來預(yù)測(cè)最終電子學(xué)器件的性能，參考價(jià)值和可靠性不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題中的至少一個(gè)，本技術(shù)提出一種用于量子反常霍爾效應(yīng)薄膜的有效厚度的測(cè)定方法。

2、根據(jù)本技術(shù)的第一方面，本技術(shù)的至少一個(gè)實(shí)施例提供了一種用于量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度的測(cè)定方法，包括：將所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜制備為量子輸運(yùn)器件；對(duì)所述量子輸運(yùn)器件施加電壓，以使所述量子輸運(yùn)器件呈現(xiàn)出量子反常霍爾效應(yīng)；對(duì)所述量子輸運(yùn)器件進(jìn)行電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量，并提取指標(biāo)；根據(jù)所述指標(biāo)確定所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度。

3、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述將所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜制備為量子輸運(yùn)器件的步驟，包括：將在襯底的上表面生長的所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜刻蝕為霍爾器件；在所述霍爾器件上生長介質(zhì)層；在所述介質(zhì)層上生長電極，形成頂柵；在所述襯底的下表面生長電極，形成背柵。

4、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述將在襯底的上表面生長的所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜刻蝕為霍爾器件的步驟中，利用氬離子刻蝕技術(shù)或者反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕。

5、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述在所述霍爾器件上生長介質(zhì)層的步驟中，利用原子層沉積鍍膜技術(shù)或者磁控濺射鍍膜技術(shù)進(jìn)行生長。

6、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述在所述介質(zhì)層上生長電極，形成頂柵的步驟中；以及所述在所述襯底的下表面生長電極，形成背柵的步驟中，利用電子束蒸發(fā)鍍膜技術(shù)、熱蒸發(fā)鍍膜技術(shù)或者磁控濺射鍍膜技術(shù)進(jìn)行生長。

7、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述對(duì)所述量子輸運(yùn)器件施加電壓，以使所述量子輸運(yùn)器件呈現(xiàn)出量子反常霍爾效應(yīng)，包括：在所述頂柵或者所述背柵上施加外加電壓，以形成外加電場(chǎng)；改變所述外加電壓的極性和大小，以使所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜的載流子濃度為第一濃度，呈現(xiàn)出量子反?；魻栃?yīng)。

8、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述外加電場(chǎng)的方向?yàn)榕c所述襯底表面垂直。

9、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述對(duì)所述量子輸運(yùn)器件進(jìn)行電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)測(cè)量，并提取指標(biāo)的步驟，包括：降低測(cè)量環(huán)境的溫度至第一溫度；在所述第一溫度下，改變所述外加電場(chǎng)生成的磁場(chǎng)大小，并獲取所述量子反常霍爾效應(yīng)薄膜中的電壓數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)；根據(jù)所述電壓數(shù)據(jù)和所述電流數(shù)據(jù)，分別確定所述量子輸運(yùn)器件的縱向電阻率、霍爾電阻率、縱向電導(dǎo)率和霍爾電導(dǎo)率與磁場(chǎng)的關(guān)系；根據(jù)所述縱向電阻率、所述霍爾電阻率、所述縱向電導(dǎo)率和所述霍爾電導(dǎo)率與磁場(chǎng)的關(guān)系，提取指標(biāo)，其中：所述指標(biāo)包括所述縱向電阻率的最大值和所述霍爾電導(dǎo)率的最大變化率。

10、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，按照下式計(jì)算所述縱向電阻率、霍爾電阻率、縱向電導(dǎo)率和霍爾電導(dǎo)率：

11、ρxx＝vx/ix/(l/w)

12、ρyx＝vy/ix

13、σxx＝ρxx/(ρxx2+ρyx2)

14、σxy＝ρyx/(ρxx2+ρyx2)

15、其中，ix為電流，vx為平行于電流方向的電壓降，vy為垂直于電流方向的電壓降，ρxx為縱向電阻率(電壓降與電流方向平行)，ρyx為霍爾電阻率(電壓降與電流方向垂直)，σxx為縱向電導(dǎo)率，σxy為霍爾電導(dǎo)率，l和w分別為所述量子輸運(yùn)器件的核心區(qū)域的長度和寬度。

16、例如，在本技術(shù)的一些實(shí)施例中，所述根據(jù)所述指標(biāo)確定所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度的步驟，包括：將所述縱向電阻率的最大值和所述霍爾電導(dǎo)率的最大變化率組成坐標(biāo)值，并確定所述坐標(biāo)值在相圖中的位置；根據(jù)所述位置確定所述量子反?；魻栃?yīng)薄膜的有效厚度。

17、通過上述示例實(shí)施例，本技術(shù)提供的一種用于量子反常霍爾效應(yīng)薄膜的有效厚度的測(cè)定方法，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得薄膜的縱向電阻率、霍爾電阻率、霍爾電導(dǎo)率等物理性質(zhì)與磁場(chǎng)的依賴關(guān)系，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)分析提取出表征薄膜無序程度、規(guī)則性、一致性和絕緣性及耗散規(guī)模的關(guān)鍵指標(biāo)，將這些指標(biāo)組成的坐標(biāo)值放在全局相圖中進(jìn)行查詢，根據(jù)相圖中的位置信息獲得有效厚度的數(shù)值。有效解決現(xiàn)有技術(shù)在測(cè)定量子反常霍爾效應(yīng)薄膜有效厚度時(shí)存在的步驟復(fù)雜、效率低下、細(xì)節(jié)敏感和干擾因素較多、精度不足等問題，提供一種快速、準(zhǔn)確測(cè)量量子反?；魻栃?yīng)薄膜有效厚度的方法，所獲得的有效厚度結(jié)果直接對(duì)應(yīng)于量子反?；魻栃?yīng)薄膜在制備電子學(xué)器件方面的性能和潛力，具備對(duì)薄膜質(zhì)量進(jìn)行篩選的功能。

18、本技術(shù)的技術(shù)方案具備對(duì)量子反?；魻栃?yīng)薄膜進(jìn)行質(zhì)量鑒定和篩選的功能屬性。依據(jù)該技術(shù)方案，通過數(shù)據(jù)分析提取的坐標(biāo)在全局相圖上查詢得到的有效厚度，可以進(jìn)一步完成對(duì)薄膜質(zhì)量的篩選：當(dāng)有效厚度位于最優(yōu)區(qū)間內(nèi)，量子反?；魻栃?yīng)薄膜可以同時(shí)保持高質(zhì)量的量子反?；魻栃?yīng)平臺(tái)和零霍爾平臺(tái)，適合進(jìn)一步通過覆蓋超導(dǎo)薄膜構(gòu)建手性拓?fù)涑瑢?dǎo)體。

19、應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性的，并不能限制本技術(shù)。