在探索量子輸運(yùn)現(xiàn)象時(shí)，二維系統(tǒng)的電子質(zhì)量至關(guān)重要。在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的優(yōu)化，已經(jīng)獲得了創(chuàng)紀(jì)錄質(zhì)量的二維氣體，其輸運(yùn)和量子遷移率分別接近108和106 cm2 V−1 s−1。盡管石墨烯器件的質(zhì)量也在不斷提高，但相比之下仍然較低。本研究通過(guò)采用與石墨烯緊密相鄰（間距1 nm）的石墨柵極， 實(shí)現(xiàn)了石墨烯電子質(zhì)量的變革性提升。由此產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)將電荷不均勻性降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，降至每平方厘米幾個(gè)107個(gè)電荷，并將電位波動(dòng)限制在1 meV以下。量子遷移率達(dá)到107 cm2 V−1 s−1，比最高質(zhì)量的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，輸運(yùn)遷移率也達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄水平。這種質(zhì)量使得在低至1 mT的磁場(chǎng)中就能觀察到舒布尼科夫-德哈斯振蕩，在低于5 mT的磁場(chǎng)中就能觀察到量子霍爾平臺(tái)。盡管鄰近屏蔽可預(yù)測(cè)地抑制了電子-電子相互作用，但與未屏蔽器件相比，分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)仍然可見(jiàn)，其能隙僅減少了3-5倍，這表明在短于10 nm的空間尺度上的多體現(xiàn)象仍然穩(wěn)健。我們的研究結(jié)果為提高石墨烯和其他二維系統(tǒng)的電子質(zhì)量提供了可靠途徑，這將有助于探索以前因無(wú)序而模糊的新物理現(xiàn)象。
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圖1 | 鄰近篩選對(duì)電荷均勻性的深遠(yuǎn)影響
a，ρxx（n）特性為遠(yuǎn)程石墨門(mén)設(shè)備（紅色曲線(xiàn)）和我們的鄰近門(mén)設(shè)備（藍(lán)色，設(shè)備S1）;
B＝0和T≈2K。雖然這些曲線(xiàn)可能看起來(lái)像是文獻(xiàn)中的許多曲線(xiàn)，但藍(lán)色曲線(xiàn)
比任何之前報(bào)道的設(shè)備都要窄大約100倍。藍(lán)色曲線(xiàn)達(dá)到約100千歐
但為清晰起見(jiàn)而被切斷。左插圖，鄰近門(mén)設(shè)備的示意圖。右插圖，說(shuō)明如何評(píng)估δn。
b，鄰近門(mén)設(shè)備和遠(yuǎn)程門(mén)設(shè)備（按顏色編碼）的δn溫度依賴(lài)性。
黑色拋物線(xiàn)表示δn的預(yù)期值對(duì)于完美的石墨烯。紅色曲線(xiàn)是殘留不均勻性和熱激發(fā)18的預(yù)期組合效應(yīng)。藍(lán)色圓圈表示低T
區(qū)域受方法中討論的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的影響。插圖，鄰近門(mén)設(shè)備的光學(xué)顯微照片。白色虛線(xiàn)標(biāo)出石墨門(mén)的位置。比例尺，10微米。
解析：
這段文字是科學(xué)論文中的一部分，描述的是使用鄰近門(mén)（Proximity Gating）技術(shù)來(lái)提高石墨烯電子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖1展示了使用鄰近門(mén)技術(shù)（鄰近石墨門(mén)）與遠(yuǎn)程石墨門(mén)（Remote Gating）設(shè)備在電阻率ρxx隨載流子密度n變化時(shí)的對(duì)比。通過(guò)鄰近門(mén)技術(shù)，可以得到一個(gè)100倍更窄的ρxx曲線(xiàn)，表明電荷的均勻性得到了顯著提高。同時(shí)，還展示了δn（電荷不均勻性）隨溫度的變化，說(shuō)明鄰近門(mén)技術(shù)可以有效地減少電荷不均勻性。圖1還包含了一些插圖，用于解釋鄰近門(mén)技術(shù)的示意圖和光學(xué)顯微照片，展示了鄰近門(mén)設(shè)備的微觀結(jié)構(gòu)。
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圖2 | 近距屏蔽石墨烯中的彈道輸運(yùn)
a，電導(dǎo)率和平均自由程（分別為黑色和紅色曲線(xiàn)）。藍(lán)色虛線(xiàn)表示由邊緣散射限制的輸運(yùn)所預(yù)期的n1/2依賴(lài)關(guān)系（最佳擬合得出?≈9µm）。紅色直線(xiàn)表示實(shí)際器件寬度約為8.5µm。
b，通過(guò)磁聚焦探測(cè)彈道輸運(yùn)。左圖，聚焦電阻R21,34(n, B)＝V34/I21的映射圖（藍(lán)到紅尺度，-5Ω至5Ω）。電流I21在接觸點(diǎn)2和1之間驅(qū)動(dòng)，如插圖所示。電壓V34在接觸點(diǎn)3和4之間測(cè)量。L≈13.5µm。黑色虛線(xiàn)表示前兩個(gè)聚焦峰的預(yù)期位置（對(duì)應(yīng)的軌跡如插圖所示）。右圖，在映射圖中標(biāo)記的固定n處的垂直切割，由彩色虛線(xiàn)標(biāo)出。
c，彎曲電阻測(cè)量的示例。插圖，測(cè)量幾何形狀（左）和器件的光學(xué)顯微鏡圖像（右）。色圖顯示R61,42（色標(biāo)與b相同）。虛線(xiàn)是W＝Dc/2的條件，預(yù)計(jì)在此條件下彎曲電阻會(huì)反轉(zhuǎn)其符號(hào)。a中的數(shù)據(jù)來(lái)自器件S4，在2K下測(cè)量。b和c中的數(shù)據(jù)來(lái)自器件S6（在20K下測(cè)量以抑制介觀效應(yīng)）。比例尺，10µm。
解析
這段文字和圖表描述了近距屏蔽石墨烯中的彈道輸運(yùn)現(xiàn)象，主要通過(guò)三個(gè)部分進(jìn)行展示：
電導(dǎo)率和平均自由程（圖2a）：
圖表展示了石墨烯器件的電導(dǎo)率（黑色曲線(xiàn)）和平均自由程（紅色曲線(xiàn)）隨載流子密度n的變化關(guān)系。
藍(lán)色虛線(xiàn)表示如果輸運(yùn)主要由邊緣散射限制，電導(dǎo)率應(yīng)如何隨n1/2變化。最佳擬合得出平均自由程?約為9µm。
紅色直線(xiàn)表示器件的實(shí)際寬度約為8.5µm，這有助于理解邊緣散射對(duì)輸運(yùn)的影響。
磁聚焦探測(cè)彈道輸運(yùn)（圖2b）：
左圖展示了聚焦電阻R21,34(n, B)隨載流子密度n和磁場(chǎng)B的變化映射圖。
電流I21在接觸點(diǎn)2和1之間驅(qū)動(dòng)，電壓V34在接觸點(diǎn)3和4之間測(cè)量。
黑色虛線(xiàn)表示前兩個(gè)聚焦峰的預(yù)期位置，這些峰對(duì)應(yīng)于電荷載流子在磁場(chǎng)中的特定軌跡。
右圖展示了在固定n值處的垂直切割，顯示了聚焦電阻隨磁場(chǎng)B的變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了彈道輸運(yùn)的存在。
彎曲電阻測(cè)量（圖2c）：
插圖展示了測(cè)量彎曲電阻的幾何形狀和器件的光學(xué)顯微鏡圖像。
色圖顯示了彎曲電阻R61,42隨載流子密度n和某些其他參數(shù)（可能是磁場(chǎng)或電壓）的變化。
虛線(xiàn)表示W(wǎng)＝Dc/2的條件，這是彎曲電阻反轉(zhuǎn)符號(hào)的預(yù)期條件。這一條件有助于理解彈道輸運(yùn)中電荷載流子的行為。
數(shù)據(jù)來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的器件（S4和S6），并在不同的溫度下測(cè)量，以展示彈道輸運(yùn)在不同條件下的表現(xiàn)。
整體解析：
這段文字和圖表共同展示了近距屏蔽石墨烯中的彈道輸運(yùn)現(xiàn)象。通過(guò)測(cè)量電導(dǎo)率、平均自由程、磁聚焦電阻和彎曲電阻，研究者能夠驗(yàn)證石墨烯中電荷載流子的彈道輸運(yùn)行為。這些測(cè)量不僅有助于理解石墨烯的電子性質(zhì)，還為開(kāi)發(fā)基于石墨烯的高性能電子器件提供了重要信息。特別是，近距屏蔽技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了石墨烯的電子質(zhì)量，使得彈道輸運(yùn)在更廣泛的條件下得以實(shí)現(xiàn)。
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圖3 | 在毫特斯拉磁場(chǎng)下的量子化現(xiàn)象
a，朗道扇形圖 ρxx(n,B)（白色至藍(lán)色漸變，表示0至4千歐）。帶藍(lán)色虛線(xiàn)的數(shù)字表示填充因子ν。
b，從a圖中在不同磁場(chǎng)B下水平切割得到的圖像。插圖展示了低磁場(chǎng)下扇形圖的細(xì)節(jié)（白色至藍(lán)色漸變，表示0至40千歐）。箭頭：預(yù)期ν＝−2的位置。注意，在電荷中性點(diǎn)附近，ρxx(n)變化迅速，導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)寬闊的深色區(qū)域，掩蓋了舒布尼科夫-德哈斯（SdH）振蕩的開(kāi)始。這些振蕩在水平切割圖中能更好地分辨（另見(jiàn)擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖6）。
c，ρxy的映射圖（藍(lán)色至紅色漸變，表示±h/2e²）。疊加的曲線(xiàn)展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉下ρxy(n)的軌跡（為清晰起見(jiàn)進(jìn)行了偏移）。箭頭標(biāo)記了半高寬處的完整轉(zhuǎn)變寬度，約為6×10? cm?²。所有數(shù)據(jù)均為設(shè)備S1在2開(kāi)爾文下的測(cè)量結(jié)果。
解析
這段文字描述了圖3中的三個(gè)子圖，它們共同展示了在極低磁場(chǎng)（毫特斯拉級(jí)別）下石墨烯中的量子化現(xiàn)象。
子圖a：展示了朗道扇形圖，即電阻率ρxx隨載流子濃度n和磁場(chǎng)B的變化關(guān)系。圖中用白色到藍(lán)色的漸變表示電阻率的大小，藍(lán)色虛線(xiàn)標(biāo)注了不同的填充因子ν。這個(gè)圖直觀地展示了在不同磁場(chǎng)和載流子濃度下，石墨烯中的量子霍爾效應(yīng)狀態(tài)。
子圖b：是從子圖a中在不同磁場(chǎng)B下水平切割得到的圖像，用于更詳細(xì)地分析SdH振蕩的開(kāi)始。插圖特別關(guān)注了低磁場(chǎng)下的情況，箭頭指出了預(yù)期中ν＝−2的位置。由于電荷中性點(diǎn)附近電阻率變化迅速，形成了一個(gè)掩蓋SdH振蕩開(kāi)始的深色區(qū)域。然而，通過(guò)水平切割圖，可以更清晰地觀察到這些振蕩。
子圖c：展示了霍爾電阻率ρxy的映射圖，用藍(lán)色到紅色的漸變表示其正負(fù)和大小。圖中疊加的曲線(xiàn)展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉磁場(chǎng)下，ρxy隨載流子濃度n的變化軌跡。箭頭標(biāo)記了半高寬處的完整轉(zhuǎn)變寬度，這個(gè)寬度量化了量子霍爾效應(yīng)中平臺(tái)之間的轉(zhuǎn)變區(qū)域。這個(gè)子圖進(jìn)一步證實(shí)了石墨烯在極低磁場(chǎng)下就能展現(xiàn)出清晰的量子霍爾效應(yīng)。
整體解析：
圖3通過(guò)三個(gè)子圖共同展示了石墨烯在極低磁場(chǎng)下的量子化現(xiàn)象。子圖a提供了整體的朗道扇形圖，子圖b通過(guò)水平切割圖詳細(xì)分析了SdH振蕩的開(kāi)始，而子圖c則通過(guò)霍爾電阻率的映射圖展示了量子霍爾效應(yīng)的平臺(tái)和轉(zhuǎn)變區(qū)域。這些結(jié)果共同表明，通過(guò)鄰近門(mén)控技術(shù)，石墨烯的電子質(zhì)量得到了顯著提升，使得在極低磁場(chǎng)下就能觀察到清晰的量子化現(xiàn)象。
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圖4 | 接近門(mén)控設(shè)備中的分?jǐn)?shù)QHE。a，ρxy和ρxx在12 T和50 mK（紅色和藍(lán)色曲線(xiàn)；左軸和右軸，分別）。數(shù)據(jù)作為接近門(mén)電壓的函數(shù)繪制，由于石墨門(mén)中的2.5維QHE和負(fù)量子電容效應(yīng)31，無(wú)法準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換為載流子密度。ρxy以ν＝（h/e2）/ρxy的形式繪制。水平線(xiàn)標(biāo)記分?jǐn)?shù)板極的預(yù)期位置。箭頭指示相應(yīng)的ρxx最小值。b，用于提取激活能（activation energies）的電阻最小值（normalized by values at 2 K）的Arrhenius圖，對(duì)于ν＝2/3和5/3的情況。c，接近門(mén)控設(shè)備S1（紅色符號(hào)）和遠(yuǎn)程門(mén)控設(shè)備（帶有誤差條的藍(lán)色符號(hào)）的分?jǐn)?shù)QHE間隙的比較。藍(lán)色矩形符號(hào)是預(yù)期的間隙，通過(guò)使用?B/2d抑制因子（d=1nm和?B≈7.5nm，對(duì)于12T）計(jì)算得出。
解析：
1、研究背景：二維材料石墨烯的電子質(zhì)量對(duì)量子運(yùn)輸現(xiàn)象的研究至關(guān)重要。
2、接近門(mén)控：在石墨烯附近放置石墨門(mén)，通過(guò)靜電屏蔽（proximity screening）顯著提高了石墨烯的電子質(zhì)量。
3、量子霍爾效應(yīng)：這種提升對(duì)量子霍爾效應(yīng)的影響被研究，它涉及到電子在強(qiáng)磁場(chǎng)中的行為。
4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：
*ρxy和ρxx：ρxy是霍爾電阻，ρxx是縱向電阻。這些數(shù)據(jù)反映了在不同磁場(chǎng)和溫度下，石墨烯的電阻如何隨載流子密度的變化而變化。
*Arrhenius圖：用于提取激活能，即描述電子躍遷的能量閾值。
*分?jǐn)?shù)QHE間隙：這是量子霍爾效應(yīng)中不同填充因子（ν）的能隙，表示了不同電子態(tài)之間的能量差異。
5、結(jié)果對(duì)比：在接近門(mén)控和遠(yuǎn)程門(mén)控的兩種情況下，分?jǐn)?shù)QHE間隙被比較，顯示了接近門(mén)控帶來(lái)的電子質(zhì)量提升對(duì)量子霍爾效應(yīng)的影響。
整體而言，該研究展示了通過(guò)接近門(mén)控技術(shù)提高石墨烯電子質(zhì)量并進(jìn)而影響量子霍爾效應(yīng)的可能性。
我們的研究表明，鄰近屏蔽可以將石墨烯的電子質(zhì)量提高多達(dá)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。由此產(chǎn)生的電荷均勻性是前所未有的（狄拉克點(diǎn)波動(dòng)小于10 K），使得在幾毫特斯拉的磁場(chǎng)中就能實(shí)現(xiàn)極窄的朗道能級(jí)和量子霍爾效應(yīng)。盡管這種質(zhì)量的提升是以抑制多體現(xiàn)象為代價(jià)的，但涉及相對(duì)較短空間尺度（小于10 nm）的相互作用仍然很強(qiáng)，這表明鄰近屏蔽對(duì)于研究高磁場(chǎng)中的短程關(guān)聯(lián)態(tài)和多體物理可能特別有價(jià)值。我們預(yù)計(jì)，這種方法對(duì)于研究石墨烯多層膜和超晶格將特別有益。隨著二維半導(dǎo)體質(zhì)量的不斷提高，鄰近屏蔽也可能適用于這些系統(tǒng)，因?yàn)榕c單層石墨烯相比，它們具有更豐富的能帶結(jié)構(gòu)和更強(qiáng)的相互作用，可能因無(wú)序減少而揭示新的物理現(xiàn)象。另外，正如我們?cè)卩徑鼥艠O器件中在低于80 mT的磁場(chǎng)中觀察到的螺旋量子霍爾效應(yīng)所證明的那樣，我們的方法可用于有意抑制多體相互作用，同時(shí)提供 卓越的電子質(zhì)量。https://doi.org/10.1038/s41586-025-09386-0
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
