Nature：基于邻近栅极的石墨烯晶体管刷新迁移率世界纪录

日前，石墨烯的发源地——英国曼彻斯特大学 Andre Geim 教授（2010 年诺贝尔物理学奖得主）团队报道了一种新型电子器件结构，通过构建“邻近栅极”实现了石墨烯晶体管电子质量的飞跃性提升。该结构使器件的输运迁移率首次突破至 108 cm²/V•s，超越了以 GaAlAs 为代表的传统半导体异质结（最高纪录 5.7×107 cm²/V•s），成为目前已知迁移率最高的晶体管。

通常，输运迁移率与量子迁移率被用来衡量二维电子器件的质量。前者反映电子平均自由程，决定材料电流输运能力与器件开关速度；后者反映电子相干运动的寿命，决定朗道能级分辨率及在多小磁场下能观察到SdH振荡和量子霍尔效应。近半个世纪以来，GaAlAs异质结凭借持续优化，一直保持最高的电子迁移率纪录：在亚开尔文温度和电子浓度约1.5×1011cm⁻²的条件下，输运迁移率达到5.7×107cm²/V·s，量子迁移率约为106cm²/V·s。

石墨烯作为最具代表性的二维材料，其电子器件质量也经历了三次飞跃：最初在氧化硅衬底上的器件，迁移率仅~104cm²/V·s；随后制备的悬浮石墨烯器件将其提升至~105cm²/V·s；再到六方氮化硼（hBN）封装，迁移率进一步提高至~106cm²/V·s。这些高质量器件皆工作在液氦温区、载流子浓度1010–1012cm⁻²条件下。值得一提的是，石墨烯器件在室温下拥有已知材料中最高的迁移率纪录（>1.5×105cm²/V·s），但在低温下，其电子质量长期受限于器件边界散射与电荷不均匀性，即使最优器件中剩余载流子浓度δn仍高于109cm⁻²，从而制约了低密度下的迁移率。

在这项工作中，曼彻斯特大学的研究团队在单层石墨烯沟道下方引入石墨片栅极，并以3–4层（约1 nm）hBN作为隔离层，构建了“邻近栅极”结构。该设计带来的强静电屏蔽效应大幅抑制了带电杂质与陷阱态引起的电势涨落，使电荷不均匀性由~109cm⁻²降低至~3×107cm⁻²，电势涨落减小到不足1 meV。这意味着在石墨烯狄拉克点附近，每数平方微米仅残留一个电荷载流子，接近理想极限。得益于此，石墨烯的量子迁移率首次达到107cm²/V·s，比过往最佳的半导体异质结高出一个数量级；而在低载流子密度下，输运迁移率更是突破108cm²/V·s，也超越了半导体异质结 的历史最高纪录。对应地，SdH振荡能够在低至1 mT的磁场下出现，量子霍尔效应平台则在不足5 mT的磁场下即可观测。

图1 |近邻屏蔽对电荷均匀性的深远影响

a.电阻率ρxx与载流子浓度n曲线，对比了采用远程石墨栅极（红色曲线）的器件与邻近石墨栅器件（蓝色，器件）；磁场B = 0，温度T ≈ 2 K。虽然这些曲线看起来与文献中许多曲线类似，但蓝色曲线比此前报道的任何器件都要窄约100倍。蓝色曲线的最大值约为100 kΩ，但为清晰起见已截断。左侧插图为邻近栅器件示意图；右侧插图说明了δn的评估方法。

b.邻近栅极和远程栅器件的δn随温度的变化（颜色与a中相同）。黑色抛物线为理想石墨烯的δn预期值；红色曲线为残余电荷不均匀性与热激发共同作用下的预期。蓝色空心圆表示该低温区域受到金属—绝缘体转变的影响。插图为其中一个邻近栅器件的光学显微图，白色虚线标出下方的石墨栅。比例尺10 µm。

图2 |近邻屏蔽石墨烯中的弹道输运

a.电导率与平均自由程（分别为黑色和红色曲线）。蓝色虚线表示当输运受边界散射限制时，理论上应具有的n1/2依赖关系（最佳拟合得到ℓ ≈ 9 µm）。红色直线表示实际器件宽度约为8.5 µm。

b.通过磁聚焦探测的无散射（弹道）输运。左图为聚焦电阻R21,34(n, B) = V34/I21的图（蓝—红色，−5 Ω到5 Ω）。电流I21从接触点2流向1（见插图），电压V34在接触点3和4测量。器件长度L ≈ 13.5 µm。黑色虚线表示预期的前两个聚焦峰位置（对应轨迹在插图中显示）。右图为在图中颜色虚线标记的固定n下的垂直截面。

c.弯曲电阻测量示例。插图左侧为测量几何示意，右侧为器件光学显微图。颜色图表示R61,42（颜色标度同b）。虚线为W=Dc/2（Dc为回旋直径），即弯曲电阻预期反号的条件。

值得注意的是，这种电子质量的提升伴随着长程库仑相互作用的削弱，导致部分多体能隙减小。然而，涉及10 nm内空间尺度的短程相互作用仍保持强烈，表明邻近屏蔽不仅并未破坏石墨烯的关联电子态，反而提供了研究短程关联和高磁场下多体物理的新契机。该策略的潜力远不止于单层石墨烯。对于多层石墨烯与超晶格体系，复杂能带与更强相互作用可能在降低无序背景下展现全新的量子现象。类似地，随着二维半导体电子器件质量的不断提升，邻近屏蔽也有望在这些体系中发挥作用。此外，邻近屏蔽还可作为调控工具：在保证超高电子器件质量的同时，有意压制部分多体效应，从而实现单粒子物理与多体物理的可控切换。在该项工作中，研究人员甚至在不足80 mT的磁场中观测到了手性量子霍尔效应，进一步展示了这一方法的独特优势。

图3 |毫特斯拉磁场中的量子化现象

a.磁场下的朗道能级扇形图ρxx(n,B)（白到蓝色刻度，0到4 kΩ）。带蓝色虚线的数字表示填充因子ν。

b.a中在不同磁场B下的横向截取。插图显示低磁场下扇形图的细节（白到蓝色刻度，0到40 kΩ）。箭头：ν = −2的预期位置。注意，ρxx(n)在中性点附近变化迅速，导致出现宽的暗区，从而遮蔽了SdH振荡的起始。通过横向截取可以更好地观察到它们。

c.ρxy的图示（蓝到红色刻度，±h/2e²）。叠加曲线显示在5 mT和10 mT下的ρxy(n)轨迹（为清晰起见进行了偏移）。箭头标出完整转变的半高宽，大约为6 × 10⁷ cm⁻²。

图4 |近邻栅极器件中的分数量子霍尔效应

a.ρxy和ρxx在12 T和50 mK下的曲线（红色和蓝色曲线；分别对应左轴和右轴）。数据以邻近栅极的电压为横坐标绘制，由于石墨栅极中的2.5维的量子霍尔效应以及负量子电容，无法精确转换为载流子密度。ρxy以ν = (h/e²)/ρxy表示。水平线标出分数量子化平台的预期位置。箭头表示对应的ρxx极小值。

b.ν = 2/3和5/3下电阻极小值（归一化为2 K时的值）的Arrhenius图，用于提取激发能。

c.邻近栅器件（红色）与远程栅器件（蓝色）的分数量子霍尔能隙比较。淡蓝色矩形符号为邻近屏蔽后理论计算预期的能隙。

综上，邻近屏蔽结构不仅将石墨烯的电子质量提升至前所未有的水平，使其成为目前已知迁移率最高的晶体管，还为探索二维材料中短程关联态、多体效应及新奇量子现象提供了全新的实验途径。这一成果在基础物理与潜在应用领域均具有深远意义。

此项工作中，在曼彻斯特大学的Andre Geim教授的指导下，团队的中国青年学者吴泽飞副研究员领导了高质量邻近栅极晶体管的器件构建与创新制备工作，团队的Daniil Domaretskiy副研究员与Alexey I. Berdyugin副研究员（现新加坡国立大学助理教授）在器件迁移率的电输运表征方面做出了重要贡献，四人为本文的共同通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09386-0