Nature：基于鄰近柵極的石墨烯晶體管刷新遷移率世界紀錄

日前，石墨烯的發源地——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”實現了石墨烯晶體管電子質量的飛躍性提升。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 為代表的傳統半導體異質結（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異質結憑借持續優化，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，其電子器件質量也經歷了三次飛躍：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。這些高質量器件皆工作在液氦溫區、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擁有已知材料中最高的遷移率紀錄（>1.5×105cm2/V·s），但在低溫下，其電子質量長期受限于器件邊界散射與電荷不均勻性，即使最優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與陷阱態引起的電勢漲落，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結高出一個數量級；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，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共同作用下的預期。藍色空心圓表示該低溫區域受到金屬—絕緣體轉變的影響。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電子態，反而提供了研究短程關聯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全新的量子現象。類似地，隨著二維半導體電子器件質量的不斷提升，鄰近屏蔽也有望在這些體系中發揮作用。此外，鄰近屏蔽還可作為調控工具：在保證超高電子器件質量的同時，有意壓制部分多體效應，從而實現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勢。

圖3 |毫特斯拉磁場中的量子化現象

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（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，導致出現寬的暗區，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）。箭頭標出完整轉變的半高寬，大約為6 × 10? cm?2。

圖4 |近鄰柵極器件中的分數量子霍爾效應

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）。數據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，無法精確轉換為載流子密度。ρxy以ν = (h/e2)/ρxy表示。水平線標出分數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，用于提取激發能。

c.鄰近柵器件（紅色）與遠程柵器件（藍色）的分數量子霍爾能隙比較。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態、多體效應及新奇量子現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量鄰近柵極晶體管的器件構建與創新制備工作，團隊的Daniil Domaretskiy副研究員與Alexey I. Berdyugin副研究員（現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