Nature：基于鄰近柵極的石墨烯晶體管刷新遷移率世界紀(jì)錄

日前，石墨烯的發(fā)源地——英國(guó)曼徹斯特大學(xué) Andre Geim 教授（2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種新型電子器件結(jié)構(gòu)，通過構(gòu)建“鄰近柵極”實(shí)現(xiàn)了石墨烯晶體管電子質(zhì)量的飛躍性提升。該結(jié)構(gòu)使器件的輸運(yùn)遷移率首次突破至 108 cm2/V?s，超越了以 GaAlAs 為代表的傳統(tǒng)半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)（最高紀(jì)錄 5.7×107 cm2/V?s），成為目前已知遷移率最高的晶體管。

通常，輸運(yùn)遷移率與量子遷移率被用來(lái)衡量二維電子器件的質(zhì)量。前者反映電子平均自由程，決定材料電流輸運(yùn)能力與器件開關(guān)速度；后者反映電子相干運(yùn)動(dòng)的壽命，決定朗道能級(jí)分辨率及在多小磁場(chǎng)下能觀察到SdH振蕩和量子霍爾效應(yīng)。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，GaAlAs異質(zhì)結(jié)憑借持續(xù)優(yōu)化，一直保持最高的電子遷移率紀(jì)錄：在亞開爾文溫度和電子濃度約1.5×1011cm?2的條件下，輸運(yùn)遷移率達(dá)到5.7×107cm2/V·s，量子遷移率約為106cm2/V·s。

石墨烯作為最具代表性的二維材料，其電子器件質(zhì)量也經(jīng)歷了三次飛躍：最初在氧化硅襯底上的器件，遷移率僅~104cm2/V·s；隨后制備的懸浮石墨烯器件將其提升至~105cm2/V·s；再到六方氮化硼（hBN）封裝，遷移率進(jìn)一步提高至~106cm2/V·s。這些高質(zhì)量器件皆工作在液氦溫區(qū)、載流子濃度1010–1012cm?2條件下。值得一提的是，石墨烯器件在室溫下?lián)碛幸阎牧现凶罡叩倪w移率紀(jì)錄（>1.5×105cm2/V·s），但在低溫下，其電子質(zhì)量長(zhǎng)期受限于器件邊界散射與電荷不均勻性，即使最優(yōu)器件中剩余載流子濃度δn仍高于109cm?2，從而制約了低密度下的遷移率。

在這項(xiàng)工作中，曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在單層石墨烯溝道下方引入石墨片柵極，并以3–4層（約1 nm）hBN作為隔離層，構(gòu)建了“鄰近柵極”結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)帶來(lái)的強(qiáng)靜電屏蔽效應(yīng)大幅抑制了帶電雜質(zhì)與陷阱態(tài)引起的電勢(shì)漲落，使電荷不均勻性由~109cm?2降低至~3×107cm?2，電勢(shì)漲落減小到不足1 meV。這意味著在石墨烯狄拉克點(diǎn)附近，每數(shù)平方微米僅殘留一個(gè)電荷載流子，接近理想極限。得益于此，石墨烯的量子遷移率首次達(dá)到107cm2/V·s，比過往最佳的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)；而在低載流子密度下，輸運(yùn)遷移率更是突破108cm2/V·s，也超越了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié) 的歷史最高紀(jì)錄。對(duì)應(yīng)地，SdH振蕩能夠在低至1 mT的磁場(chǎng)下出現(xiàn)，量子霍爾效應(yīng)平臺(tái)則在不足5 mT的磁場(chǎng)下即可觀測(cè)。

圖1 |近鄰屏蔽對(duì)電荷均勻性的深遠(yuǎn)影響

a.電阻率ρxx與載流子濃度n曲線，對(duì)比了采用遠(yuǎn)程石墨柵極（紅色曲線）的器件與鄰近石墨柵器件（藍(lán)色，器件）；磁場(chǎng)B = 0，溫度T ≈ 2 K。雖然這些曲線看起來(lái)與文獻(xiàn)中許多曲線類似，但藍(lán)色曲線比此前報(bào)道的任何器件都要窄約100倍。藍(lán)色曲線的最大值約為100 kΩ，但為清晰起見已截?cái)唷Ｗ髠?cè)插圖為鄰近柵器件示意圖；右側(cè)插圖說(shuō)明了δn的評(píng)估方法。

b.鄰近柵極和遠(yuǎn)程?hào)牌骷摩膎隨溫度的變化（顏色與a中相同）。黑色拋物線為理想石墨烯的δn預(yù)期值；紅色曲線為殘余電荷不均勻性與熱激發(fā)共同作用下的預(yù)期。藍(lán)色空心圓表示該低溫區(qū)域受到金屬—絕緣體轉(zhuǎn)變的影響。插圖為其中一個(gè)鄰近柵器件的光學(xué)顯微圖，白色虛線標(biāo)出下方的石墨柵。比例尺10 μm。

圖2 |近鄰屏蔽石墨烯中的彈道輸運(yùn)

a.電導(dǎo)率與平均自由程（分別為黑色和紅色曲線）。藍(lán)色虛線表示當(dāng)輸運(yùn)受邊界散射限制時(shí)，理論上應(yīng)具有的n1/2依賴關(guān)系（最佳擬合得到? ≈ 9 μm）。紅色直線表示實(shí)際器件寬度約為8.5 μm。

b.通過磁聚焦探測(cè)的無(wú)散射（彈道）輸運(yùn)。左圖為聚焦電阻R21,34(n, B) = V34/I21的圖（藍(lán)—紅色，?5 Ω到5 Ω）。電流I21從接觸點(diǎn)2流向1（見插圖），電壓V34在接觸點(diǎn)3和4測(cè)量。器件長(zhǎng)度L ≈ 13.5 μm。黑色虛線表示預(yù)期的前兩個(gè)聚焦峰位置（對(duì)應(yīng)軌跡在插圖中顯示）。右圖為在圖中顏色虛線標(biāo)記的固定n下的垂直截面。

c.彎曲電阻測(cè)量示例。插圖左側(cè)為測(cè)量幾何示意，右側(cè)為器件光學(xué)顯微圖。顏色圖表示R61,42（顏色標(biāo)度同b）。虛線為W=Dc/2（Dc為回旋直徑），即彎曲電阻預(yù)期反號(hào)的條件。

值得注意的是，這種電子質(zhì)量的提升伴隨著長(zhǎng)程庫(kù)侖相互作用的削弱，導(dǎo)致部分多體能隙減小。然而，涉及10 nm內(nèi)空間尺度的短程相互作用仍保持強(qiáng)烈，表明鄰近屏蔽不僅并未破壞石墨烯的關(guān)聯(lián)電子態(tài)，反而提供了研究短程關(guān)聯(lián)和高磁場(chǎng)下多體物理的新契機(jī)。該策略的潛力遠(yuǎn)不止于單層石墨烯。對(duì)于多層石墨烯與超晶格體系，復(fù)雜能帶與更強(qiáng)相互作用可能在降低無(wú)序背景下展現(xiàn)全新的量子現(xiàn)象。類似地，隨著二維半導(dǎo)體電子器件質(zhì)量的不斷提升，鄰近屏蔽也有望在這些體系中發(fā)揮作用。此外，鄰近屏蔽還可作為調(diào)控工具：在保證超高電子器件質(zhì)量的同時(shí)，有意壓制部分多體效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)單粒子物理與多體物理的可控切換。在該項(xiàng)工作中，研究人員甚至在不足80 mT的磁場(chǎng)中觀測(cè)到了手性量子霍爾效應(yīng)，進(jìn)一步展示了這一方法的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖3 |毫特斯拉磁場(chǎng)中的量子化現(xiàn)象

a.磁場(chǎng)下的朗道能級(jí)扇形圖ρxx(n,B)（白到藍(lán)色刻度，0到4 kΩ）。帶藍(lán)色虛線的數(shù)字表示填充因子ν。

b.a中在不同磁場(chǎng)B下的橫向截取。插圖顯示低磁場(chǎng)下扇形圖的細(xì)節(jié)（白到藍(lán)色刻度，0到40 kΩ）。箭頭：ν = ?2的預(yù)期位置。注意，ρxx(n)在中性點(diǎn)附近變化迅速，導(dǎo)致出現(xiàn)寬的暗區(qū)，從而遮蔽了SdH振蕩的起始。通過橫向截取可以更好地觀察到它們。

c.ρxy的圖示（藍(lán)到紅色刻度，±h/2e2）。疊加曲線顯示在5 mT和10 mT下的ρxy(n)軌跡（為清晰起見進(jìn)行了偏移）。箭頭標(biāo)出完整轉(zhuǎn)變的半高寬，大約為6 × 10? cm?2。

圖4 |近鄰柵極器件中的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)

a.ρxy和ρxx在12 T和50 mK下的曲線（紅色和藍(lán)色曲線；分別對(duì)應(yīng)左軸和右軸）。數(shù)據(jù)以鄰近柵極的電壓為橫坐標(biāo)繪制，由于石墨柵極中的2.5維的量子霍爾效應(yīng)以及負(fù)量子電容，無(wú)法精確轉(zhuǎn)換為載流子密度。ρxy以ν = (h/e2)/ρxy表示。水平線標(biāo)出分?jǐn)?shù)量子化平臺(tái)的預(yù)期位置。箭頭表示對(duì)應(yīng)的ρxx極小值。

b.ν = 2/3和5/3下電阻極小值（歸一化為2 K時(shí)的值）的Arrhenius圖，用于提取激發(fā)能。

c.鄰近柵器件（紅色）與遠(yuǎn)程?hào)牌骷ㄋ{(lán)色）的分?jǐn)?shù)量子霍爾能隙比較。淡藍(lán)色矩形符號(hào)為鄰近屏蔽后理論計(jì)算預(yù)期的能隙。

綜上，鄰近屏蔽結(jié)構(gòu)不僅將石墨烯的電子質(zhì)量提升至前所未有的水平，使其成為目前已知遷移率最高的晶體管，還為探索二維材料中短程關(guān)聯(lián)態(tài)、多體效應(yīng)及新奇量子現(xiàn)象提供了全新的實(shí)驗(yàn)途徑。這一成果在基礎(chǔ)物理與潛在應(yīng)用領(lǐng)域均具有深遠(yuǎn)意義。

此項(xiàng)工作中，在曼徹斯特大學(xué)的Andre Geim教授的指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)的中國(guó)青年學(xué)者吳澤飛副研究員領(lǐng)導(dǎo)了高質(zhì)量鄰近柵極晶體管的器件構(gòu)建與創(chuàng)新制備工作，團(tuán)隊(duì)的Daniil Domaretskiy副研究員與Alexey I. Berdyugin副研究員（現(xiàn)新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授）在器件遷移率的電輸運(yùn)表征方面做出了重要貢獻(xiàn)，四人為本文的共同通訊作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09386-0