近日，曼徹斯特大學(xué)Andre K. Geim教授、Daniil Domaretskiy教授、吳澤飛副研究員和新加坡國(guó)立大學(xué)Alexey I. Berdyugin教授合作，通過引入“近鄰屏蔽”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了石墨烯電子質(zhì)量的跨越式提升。研究團(tuán)隊(duì)將石墨烯與石墨柵極之間的六方氮化硼（hBN）介電層厚度降至僅1納米，利用圖像電荷屏蔽效應(yīng)將電荷不均勻性降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到3×10⁷?cm^?2?，量子遷移率提升至10⁷?cm²?/V?s，首次在低于5毫特斯拉的磁場(chǎng)中觀測(cè)到完整的量子霍爾平臺(tái)，甚至在1毫特斯拉下出現(xiàn)舒布尼科夫-德哈斯振蕩。 相關(guān)論文以“Proximity screening greatly enhances electronic quality of graphene”為題，發(fā)表在Nature上。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過圖1展示了近鄰屏蔽對(duì)電荷均勻性的顯著影響。與使用遠(yuǎn)程石墨柵極的參考器件相比，近鄰柵極器件的電阻-載流子密度曲線在電中性點(diǎn)附近窄了約100倍，表明電荷波動(dòng)被極大抑制。溫度依賴性測(cè)量進(jìn)一步顯示，在高溫下熱激發(fā)載流子主導(dǎo)展寬，而低溫下近鄰器件仍保持極高的均勻性，僅在10 K以下出現(xiàn)由金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變引起的局域化行為。

圖1 | 近鄰屏蔽對(duì)電荷均勻性的深遠(yuǎn)影響

圖2進(jìn)一步揭示了近鄰屏蔽石墨烯中彈道輸運(yùn)的特性。在低載流子密度下，平均自由程接近器件寬度（約9微米），遷移率超過10⁸?cm²?/V?s。磁聚焦和彎曲電阻測(cè)量直接證實(shí)了彈道輸運(yùn)的存在，甚至在電中性點(diǎn)的狄拉克等離子體中也觀察到負(fù)彎曲電阻，表明其在玻爾茲曼體系中仍保持彈道性。

圖2 | 近鄰屏蔽石墨烯中的彈道輸運(yùn)

圖3展示了在極低磁場(chǎng)（1–5 mT）下出現(xiàn)的朗道量子和量子霍爾效應(yīng)。舒布尼科夫-德哈斯振蕩在1毫特斯拉下清晰可見，量子遷移率超過10⁷?cm²?/V?s。霍爾平臺(tái)在5毫特斯拉下完全形成，其半高寬僅為3×10⁷?cm^?2?，進(jìn)一步印證了電荷均勻性的提升。

圖3 | 毫特斯拉磁場(chǎng)中的量子化現(xiàn)象

盡管近鄰屏蔽抑制了長(zhǎng)程電子相互作用，圖4顯示分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)仍在7 T以上磁場(chǎng)中出現(xiàn)，能隙雖相比未屏蔽器件降低了3–5倍，但仍顯著高于其他二維系統(tǒng)。理論分析表明，該抑制因子與磁長(zhǎng)度 ? B 和屏蔽距離 d的比值相符，說明在小于10納米的尺度上多體效應(yīng)仍保持強(qiáng)關(guān)聯(lián)。

圖4 | 近鄰柵極器件中的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)

綜上所述，該研究不僅為石墨烯器件提供了一條可靠的高質(zhì)量制備路徑，更使得在毫特斯拉磁場(chǎng)中研究量子輸運(yùn)和強(qiáng)關(guān)聯(lián)現(xiàn)象成為可能。未來，近鄰屏蔽技術(shù)有望應(yīng)用于石墨烯多層結(jié)構(gòu)、超晶格及其他二維半導(dǎo)體，為探索低無序環(huán)境下的新穎量子現(xiàn)象開辟新的方向。