日前，石墨烯的發(fā)源地——英國曼徹斯特大學 Andre Geim 教授（2010 年諾貝爾物理學獎得主）團隊報道了一種新型電子器件結構，通過構建“鄰近柵極”實現(xiàn)了石墨烯晶體管電子質(zhì)量的飛躍性提升。該結構使器件的輸運遷移率首次突破至 108 cm2/V?s，超越了以 GaAlAs 為代表的傳統(tǒng)半導體異質(zhì)結（最高紀錄 5.7×107 cm2/V?s），成為目前已知遷移率最高的晶體管。

通常，輸運遷移率與量子遷移率被用來衡量二維電子器件的質(zhì)量。前者反映電子平均自由程，決定材料電流輸運能力與器件開關速度；后者反映電子相干運動的壽命，決定朗道能級分辨率及在多小磁場下能觀察到SdH振蕩和量子霍爾效應。近半個世紀以來，GaAlAs異質(zhì)結憑借持續(xù)優(yōu)化，一直保持最高的電子遷移率紀錄：在亞開爾文溫度和電子濃度約1.5×1011cm?2的條件下，輸運遷移率達到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移率紀錄（>1.5×105cm2/V·s），但在低溫下，其電子質(zhì)量長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。

在這項工作中，曼徹斯特大學的研究團隊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，構建了“鄰近柵極”結構。該設計帶來的強靜電屏蔽效應大幅抑制了帶電雜質(zhì)與陷阱態(tài)引起的電勢漲落，使電荷不均勻性由~109cm?2降低至~3×107cm?2，電勢漲落減小到不足1 meV。這意味著在石墨烯狄拉克點附近，每數(shù)平方微米僅殘留一個電荷載流子，接近理想極限。得益于此，石墨烯的量子遷移率首次達到107cm2/V·s，比過往最佳的半導體異質(zhì)結高出一個數(shù)量級；而在低載流子密度下，輸運遷移率更是突破108cm2/V·s，也超越了半導體異質(zhì)結 的歷史最高紀錄。對應地，SdH振蕩能夠在低至1 mT的磁場下出現(xiàn)，量子霍爾效應平臺則在不足5 mT的磁場下即可觀測。

圖1 |近鄰屏蔽對電荷均勻性的深遠影響

a.電阻率ρxx與載流子濃度n曲線，對比了采用遠程石墨柵極（紅色曲線）的器件與鄰近石墨柵器件（藍色，器件）；磁場B = 0，溫度T ≈ 2 K。雖然這些曲線看起來與文獻中許多曲線類似，但藍色曲線比此前報道的任何器件都要窄約100倍。藍色曲線的最大值約為100 kΩ，但為清晰起見已截斷。左側插圖為鄰近柵器件示意圖；右側插圖說明了δn的評估方法。

b.鄰近柵極和遠程柵器件的δn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)共同作用下的預期。藍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。插圖為其中一個鄰近柵器件的光學顯微圖，白色虛線標出下方的石墨柵。比例尺10 μm。

圖2 |近鄰屏蔽石墨烯中的彈道輸運

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

b.通過磁聚焦探測的無散射（彈道）輸運。左圖為聚焦電阻R21,34(n, B) = V34/I21的圖（藍—紅色，?5 Ω到5 Ω）。電流I21從接觸點2流向1（見插圖），電壓V34在接觸點3和4測量。器件長度L ≈ 13.5 μm。黑色虛線表示預期的前兩個聚焦峰位置（對應軌跡在插圖中顯示）。右圖為在圖中顏色虛線標記的固定n下的垂直截面。

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

值得注意的是，這種電子質(zhì)量的提升伴隨著長程庫侖相互作用的削弱，導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烈，表明鄰近屏蔽不僅并未破壞石墨烯的關聯(lián)電子態(tài)，反而提供了研究短程關聯(lián)和高磁場下多體物理的新契機。該策略的潛力遠不止于單層石墨烯。對于多層石墨烯與超晶格體系，復雜能帶與更強相互作用可能在降低無序背景下展現(xiàn)全新的量子現(xiàn)象。類似地，隨著二維半導體電子器件質(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，有意壓制部分多體效應，從而實現(xiàn)單粒子物理與多體物理的可控切換。在該項工作中，研究人員甚至在不足80 mT的磁場中觀測到了手性量子霍爾效應，進一步展示了這一方法的獨特優(yōu)勢。

圖3 |毫特斯拉磁場中的量子化現(xiàn)象

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

b.a中在不同磁場B下的橫向截取。插圖顯示低磁場下扇形圖的細節(jié)（白到藍色刻度，0到40 kΩ）。箭頭：ν = ?2的預期位置。注意，ρxx(n)在中性點附近變化迅速，導致出現(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（為清晰起見進行了偏移）。箭頭標出完整轉(zhuǎn)變的半高寬，大約為6 × 10? cm?2。

圖4 |近鄰柵極器件中的分數(shù)量子霍爾效應

a.ρxy和ρxx在12 T和50 mK下的曲線（紅色和藍色曲線；分別對應左軸和右軸）。數(shù)據(jù)以鄰近柵極的電壓為橫坐標繪制，由于石墨柵極中的2.5維的量子霍爾效應以及負量子電容，無法精確轉(zhuǎn)換為載流子密度。ρxy以ν = (h/e2)/ρxy表示。水平線標出分數(shù)量子化平臺的預期位置。箭頭表示對應的ρxx極小值。

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

c.鄰近柵器件（紅色）與遠程柵器件（藍色）的分數(shù)量子霍爾能隙比較。淡藍色矩形符號為鄰近屏蔽后理論計算預期的能隙。

綜上，鄰近屏蔽結構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聯(lián)態(tài)、多體效應及新奇量子現(xiàn)象提供了全新的實驗途徑。這一成果在基礎物理與潛在應用領域均具有深遠意義。

此項工作中，在曼徹斯特大學的Andre Geim教授的指導下，團隊的中國青年學者吳澤飛副研究員領導了高質(zhì)量鄰近柵極晶體管的器件構建與創(chuàng)新制備工作，團隊的Daniil Domaretskiy副研究員與Alexey I. Berdyugin副研究員（現(xiàn)新加坡國立大學助理教授）在器件遷移率的電輸運表征方面做出了重要貢獻，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