石墨柵極增強(qiáng)石墨烯遷移率以匹配半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)

追求二維材料中原始的電子質(zhì)量是現(xiàn)代物理學(xué)和材料科學(xué)進(jìn)步的核心，曼徹斯特大學(xué)的丹尼爾·戈?duì)柊蛦谭蚝图{鑫領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了重大突破。研究人員與 Kenji Watanabe 和 Takashi Taniguchi 等同事合作，通過(guò)戰(zhàn)略性地將石墨柵極放置在極靠近材料的位置，展示了石墨烯電子性能的變革性改進(jìn)。這種創(chuàng)新方法涉及將柵極放置在僅一納米之外，可顯著減少電荷變化和潛在波動(dòng)，最終提高石墨烯的遷移率，甚至超過(guò)最高質(zhì)量的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的材料表現(xiàn)出卓越的性能，能夠觀察以前被無(wú)序隱藏的微妙量子現(xiàn)象，并為二維材料研究的新時(shí)代鋪平道路。

在由原子級(jí)薄材料組裝而成的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)可比的電子質(zhì)量是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)殡y以控制界面質(zhì)量和最大限度地減少無(wú)序。因此，材料質(zhì)量和制造技術(shù)的大幅改進(jìn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能器件和充分探索原子薄系統(tǒng)的基本物理學(xué)至關(guān)重要。

近距離屏蔽石墨烯中的螺旋邊緣態(tài)

研究人員開(kāi)發(fā)了一種細(xì)致的工藝來(lái)制造高質(zhì)量的 hBN 封裝石墨烯器件，結(jié)合接近門來(lái)研究較低磁場(chǎng)下的量子霍爾效應(yīng)，特別是螺旋邊緣態(tài)。由于通過(guò)鄰近門控有效抑制電子相互作用，他們成功地在顯著降低的磁場(chǎng)下在近距離屏蔽石墨烯中證明了這些螺旋邊緣態(tài)。這一成就依賴于精心的材料準(zhǔn)備、組裝技術(shù)和嚴(yán)格的質(zhì)量控制。該過(guò)程從機(jī)械剝離石墨烯和六方氮化硼 （hBN） 開(kāi)始。

采用兩種主要的組裝方法，即使用 PDMS/PPC 印章或氮化硅懸臂。材料質(zhì)量通過(guò)拉曼光譜和原子力顯微鏡 （AFM） 進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)層的身份、厚度和光滑、無(wú)氣泡的表面。器件制造涉及廣泛使用電子束光刻 （EBL） 來(lái)定義柵極區(qū)域和觸點(diǎn)，然后使用 Cr/Au 進(jìn)行金屬沉積。反應(yīng)離子蝕刻 （CHF 3 /O 2） 定義石墨烯邊緣并創(chuàng)建霍爾棒幾何形狀，而一維邊緣接觸則通過(guò)蝕刻和金屬沉積形成。測(cè)量以 2K 進(jìn)行，重點(diǎn)是通過(guò)緩慢的傳輸速度最大限度地減少氣泡和皺紋。

大型、高質(zhì)量的石墨薄片用作基材，確?？煽康慕佑|形成。使用丙酮去除PPC殘留物，并在250°C下進(jìn)行真空退火進(jìn)行清潔。補(bǔ)充信息包括制造的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)和 AFM 圖像，展示了器件的大面積、高質(zhì)量和無(wú)氣泡特性。這些詳細(xì)的文檔使其他研究人員能夠重現(xiàn)制造過(guò)程，強(qiáng)調(diào)了細(xì)致技術(shù)在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)物理研究高質(zhì)量設(shè)備方面的關(guān)鍵作用。在較低磁場(chǎng)下螺旋邊緣態(tài)的成功證明為研究奇異量子現(xiàn)象和推進(jìn)量子霍爾研究開(kāi)辟了新的可能性。

石墨烯的電子質(zhì)量超越半導(dǎo)體

研究人員在石墨烯的電子質(zhì)量方面取得了重大飛躍，甚至超過(guò)了最精細(xì)的半導(dǎo)體材料。通過(guò)將石墨烯放置在極其靠近石墨柵極的位置，相距僅一納米，它們顯著減少了材料內(nèi)電荷分布的不良變化，將電荷不均勻性降低了一百倍。這種改進(jìn)直接轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)的性能特征，運(yùn)輸移動(dòng)性達(dá)到 10 8 cm 2 /Vs。這種質(zhì)量水平允許在極低的磁場(chǎng)（低至 1 和 5 毫利特拉）下觀察微妙的量子現(xiàn)象，例如 Shubnikov-de Haas 振蕩和量子霍爾平臺(tái)，證實(shí)了石墨烯卓越的純度和均勻性。

值得注意的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，雖然鄰近篩選抑制了電子之間的相互作用，但控制非常小尺度（小于 10 納米）的多體現(xiàn)象的基本物理學(xué)仍然穩(wěn)健。與分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)相關(guān)的能隙僅減少了 3-5 倍，這表明盡管電子環(huán)境發(fā)生了變化，但復(fù)雜的量子行為并沒(méi)有丟失。這一突破為制造石墨烯和潛在的其他二維材料提供了一條可靠的途徑，具有前所未有的電子質(zhì)量，釋放了探索以前被缺陷所掩蓋的新物理的潛力，并為先進(jìn)設(shè)備鋪平了道路。在如此低的磁場(chǎng)下觀察量子效應(yīng)的能力對(duì)于開(kāi)發(fā)敏感傳感器和探索基本量子現(xiàn)象特別有希望。

石墨烯質(zhì)量促進(jìn)量子霍爾效應(yīng)觀測(cè)

這項(xiàng)研究表明，通過(guò)使用附近的石墨柵極，石墨烯的電子質(zhì)量得到了顯著改善，從而將電荷不均勻性降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種增強(qiáng)導(dǎo)致了前所未有的電荷均勻性，波動(dòng)小于 10 開(kāi)爾文，并且能夠在低至幾毫特斯拉的極低磁場(chǎng)中觀察分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)。由此產(chǎn)生的高質(zhì)量石墨烯在電子遷移率方面甚至超過(guò)了最精細(xì)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)。雖然這種鄰近篩選抑制了一些多體相互作用，但研究表明，在非常短的距離（小于 10 納米）內(nèi)發(fā)生的相互作用仍然很強(qiáng)。

這表明該技術(shù)對(duì)于研究高磁場(chǎng)中的短程相關(guān)態(tài)和多體物理學(xué)特別有價(jià)值。作者預(yù)計(jì)這種方法將有利于研究石墨烯多層和超晶格，并且隨著質(zhì)量的不斷提高，也可能適用于其他二維半導(dǎo)體。承認(rèn)權(quán)衡，該方法還可用于有意抑制多體交互，同時(shí)實(shí)現(xiàn)卓越的電子質(zhì)量。