在探索量子輸運現(xiàn)象時，二維系統(tǒng)的電子質(zhì)量至關(guān)重要。在半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，經(jīng)過數(shù)十年的優(yōu)化，已經(jīng)獲得了創(chuàng)紀錄質(zhì)量的二維氣體，其輸運和量子遷移率分別接近10
8和10
6 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。本研究通過采用與石墨烯緊密相鄰（間距1 nm）的石墨柵極， 實現(xiàn)了石墨烯電子質(zhì)量的變革性提升。由此產(chǎn)生的屏蔽效應將電荷不均勻性降低了兩個數(shù)量級，降至每平方厘米幾個10
7個電荷，并將電位波動限制在1 meV以下。量子遷移率達到10
7 cm
2 V
−1 s
−1，比最高質(zhì)量的半導體異質(zhì)結(jié)構(gòu)高出一個數(shù)量級，輸運遷移率也達到了創(chuàng)紀錄水平。這種質(zhì)量使得在低至1 mT的磁場中就能觀察到舒布尼科夫-德哈斯振蕩，在低于5 mT的磁場中就能觀察到量子霍爾平臺。盡管鄰近屏蔽可預測地抑制了電子-電子相互作用，但與未屏蔽器件相比，分數(shù)量子霍爾態(tài)仍然可見，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序而模糊的新物理現(xiàn)象。
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圖1 | 鄰近篩選對電荷均勻性的深遠影響
a，ρxx（n）特性為遠程石墨門設(shè)備（紅色曲線）和我們的鄰近門設(shè)備（藍色，設(shè)備S1）;
B＝0和T≈2K。雖然這些曲線可能看起來像是文獻中的許多曲線，但藍色曲線
比任何之前報道的設(shè)備都要窄大約100倍。藍色曲線達到約100千歐
但為清晰起見而被切斷。左插圖，鄰近門設(shè)備的示意圖。右插圖，說明如何評估δn。
b，鄰近門設(shè)備和遠程門設(shè)備（按顏色編碼）的δn溫度依賴性。
黑色拋物線表示δn的預期值對于完美的石墨烯。紅色曲線是殘留不均勻性和熱激發(fā)18的預期組合效應。藍色圓圈表示低T
區(qū)域受方法中討論的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變的影響。插圖，鄰近門設(shè)備的光學顯微照片。白色虛線標出石墨門的位置。比例尺，10微米。
解析：
這段文字是科學論文中的一部分，描述的是使用鄰近門（Proximity Gating）技術(shù)來提高石墨烯電子質(zhì)量的實驗結(jié)果。圖1展示了使用鄰近門技術(shù)（鄰近石墨門）與遠程石墨門（Remote Gating）設(shè)備在電阻率ρxx隨載流子密度n變化時的對比。通過鄰近門技術(shù)，可以得到一個100倍更窄的ρxx曲線，表明電荷的均勻性得到了顯著提高。同時，還展示了δn（電荷不均勻性）隨溫度的變化，說明鄰近門技術(shù)可以有效地減少電荷不均勻性。圖1還包含了一些插圖，用于解釋鄰近門技術(shù)的示意圖和光學顯微照片，展示了鄰近門設(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
a，電導率和平均自由程（分別為黑色和紅色曲線）。藍色虛線表示由邊緣散射限制的輸運所預期的n1/2依賴關(guān)系（最佳擬合得出?≈9µm）。紅色直線表示實際器件寬度約為8.5µm。
b，通過磁聚焦探測彈道輸運。左圖，聚焦電阻R
21,34(n, B)＝V
34//
I21的映射圖（藍到紅尺度，-5Ω至5Ω）。電流I
21在接觸點2和1之間驅(qū)動，如插圖所示。電壓V
34在接觸點3和4之間測量。L≈13.5µm。黑色虛線表示前兩個聚焦峰的預期位置（對應的軌跡如插圖所示）。右圖，在映射圖中標記的固定n處的垂直切割，由彩色虛線標出。
c，彎曲電阻測量的示例。插圖，測量幾何形狀（左）和器件的光學顯微鏡圖像（右）。色圖顯示R
61,42（色標與b相同）。虛線是W＝D
c/2的條件，預計在此條件下彎曲電阻會反轉(zhuǎn)其符號。a中的數(shù)據(jù)來自器件S4，在2K下測量。b和c中的數(shù)據(jù)來自器件S6（在20K下測量以抑制介觀效應）。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現(xiàn)象，主要通過三個部分進行展示：
電導率和平均自由程（圖2a）：
圖表展示了石墨烯器件的電導率（黑色曲線）和平均自由程（紅色曲線）隨載流子密度n的變化關(guān)系。
藍色虛線表示如果輸運主要由邊緣散射限制，電導率應如何隨n1/2變化。最佳擬合得出平均自由程?約為9µm。
紅色直線表示器件的實際寬度約為8.5µm，這有助于理解邊緣散射對輸運的影響。
磁聚焦探測彈道輸運（圖2b）：
左圖展示了聚焦電阻R
21,34(n, B)隨載流子密度n和磁場B的變化映射圖。
電流I
21在接觸點2和1之間驅(qū)動，電壓V
34在接觸點3和4之間測量。
黑色虛線表示前兩個聚焦峰的預期位置，這些峰對應于電荷載流子在磁場中的特定軌跡。
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B的變化，進一步驗證了彈道輸運的存在。
彎曲電阻測量（圖2c）：
插圖展示了測量彎曲電阻的幾何形狀和器件的光學顯微鏡圖像。
色圖顯示了彎曲電阻R
61,42隨載流子密度n和某些其他參數(shù)（可能是磁場或電壓）的變化。
虛線表示W(wǎng)＝Dc/2的條件，這是彎曲電阻反轉(zhuǎn)符號的預期條件。這一條件有助于理解彈道輸運中電荷載流子的行為。
數(shù)據(jù)來自兩個不同的器件（S4和S6），并在不同的溫度下測量，以展示彈道輸運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現(xiàn)象。通過測量電導率、平均自由程、磁聚焦電阻和彎曲電阻，研究者能夠驗證石墨烯中電荷載流子的彈道輸運行為。這些測量不僅有助于理解石墨烯的電子性質(zhì)，還為開發(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)的應用顯著提高了石墨烯的電子質(zhì)量，使得彈道輸運在更廣泛的條件下得以實現(xiàn)。
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圖3 | 在毫特斯拉磁場下的量子化現(xiàn)象
a，朗道扇形圖 ρ
xx(n,B)（白色至藍色漸變，表示0至4千歐）。帶藍色虛線的數(shù)字表示填充因子ν。
b，從a圖中在不同磁場B下水平切割得到的圖像。插圖展示了低磁場下扇形圖的細節(jié)（白色至藍色漸變，表示0至40千歐）。箭頭：預期ν＝−2的位置。注意，在電荷中性點附近，ρ
xx(n)變化迅速，導致出現(xiàn)一個寬闊的深色區(qū)域，掩蓋了舒布尼科夫-德哈斯（SdH）振蕩的開始。這些振蕩在水平切割圖中能更好地分辨（另見擴展數(shù)據(jù)圖6）。
c，ρxy的映射圖（藍色至紅色漸變，表示±h/2e²）。疊加的曲線展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉下ρ
xy(n)的軌跡（為清晰起見進行了偏移）。箭頭標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開爾文下的測量結(jié)果。
解析
這段文字描述了圖3中的三個子圖，它們共同展示了在極低磁場（毫特斯拉級別）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ρ
xx隨載流子濃度n和磁場B的變化關(guān)系。圖中用白色到藍色的漸變表示電阻率的大小，藍色虛線標注了不同的填充因子ν。這個圖直觀地展示了在不同磁場和載流子濃度下，石墨烯中的量子霍爾效應狀態(tài)。
子圖b：是從子圖a中在不同磁場B下水平切割得到的圖像，用于更詳細地分析SdH振蕩的開始。插圖特別關(guān)注了低磁場下的情況，箭頭指出了預期中ν＝−2的位置。由于電荷中性點附近電阻率變化迅速，形成了一個掩蓋SdH振蕩開始的深色區(qū)域。然而，通過水平切割圖，可以更清晰地觀察到這些振蕩。
子圖c：展示了霍爾電阻率ρ
xy的映射圖，用藍色到紅色的漸變表示其正負和大小。圖中疊加的曲線展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉磁場下，ρ
xy隨載流子濃度n的變化軌跡。箭頭標記了半高寬處的完整轉(zhuǎn)變寬度，這個寬度量化了量子霍爾效應中平臺之間的轉(zhuǎn)變區(qū)域。這個子圖進一步證實了石墨烯在極低磁場下就能展現(xiàn)出清晰的量子霍爾效應。
整體解析：
圖3通過三個子圖共同展示了石墨烯在極低磁場下的量子化現(xiàn)象。子圖a提供了整體的朗道扇形圖，子圖b通過水平切割圖詳細分析了SdH振蕩的開始，而子圖c則通過霍爾電阻率的映射圖展示了量子霍爾效應的平臺和轉(zhuǎn)變區(qū)域。這些結(jié)果共同表明，通過鄰近門控技術(shù)，石墨烯的電子質(zhì)量得到了顯著提升，使得在極低磁場下就能觀察到清晰的量子化現(xiàn)象。
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圖4 | 接近門控設(shè)備中的分數(shù)QHE。a，ρxy和ρxx在12 T和50 mK（紅色和藍色曲線；左軸和右軸，分別）。數(shù)據(jù)作為接近門電壓的函數(shù)繪制，由于石墨門中的2.5維QHE和負量子電容效應31，無法準確轉(zhuǎn)換為載流子密度。ρxy以ν＝（h/e
2）/ρxy的形式繪制。水平線標記分數(shù)板極的預期位置。箭頭指示相應的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，對于ν＝2/3和5/3的情況。c，接近門控設(shè)備S1（紅色符號）和遠程門控設(shè)備（帶有誤差條的藍色符號）的分數(shù)QHE間隙的比較。藍色矩形符號是預期的間隙，通過使用?B/2d抑制因子（d=1nm和?B≈7.5nm，對于12T）計算得出。
解析：
1、研究背景：二維材料石墨烯的電子質(zhì)量對量子運輸現(xiàn)象的研究至關(guān)重要。
2、接近門控：在石墨烯附近放置石墨門，通過靜電屏蔽（proximity screening）顯著提高了石墨烯的電子質(zhì)量。
3、量子霍爾效應：這種提升對量子霍爾效應的影響被研究，它涉及到電子在強磁場中的行為。
4、實驗數(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。
*分數(shù)QHE間隙：這是量子霍爾效應中不同填充因子（ν）的能隙，表示了不同電子態(tài)之間的能量差異。
5、結(jié)果對比：在接近門控和遠程門控的兩種情況下，分數(shù)QHE間隙被比較，顯示了接近門控帶來的電子質(zhì)量提升對量子霍爾效應的影響。
整體而言，該研究展示了通過接近門控技術(shù)提高石墨烯電子質(zhì)量并進而影響量子霍爾效應的可能性。
我們的研究表明，鄰近屏蔽可以將石墨烯的電子質(zhì)量提高多達兩個數(shù)量級。由此產(chǎn)生的電荷均勻性是前所未有的（狄拉克點波動小于10 K），使得在幾毫特斯拉的磁場中就能實現(xiàn)極窄的朗道能級和量子霍爾效應。盡管這種質(zhì)量的提升是以抑制多體現(xiàn)象為代價的，但涉及相對較短空間尺度（小于10 nm）的相互作用仍然很強，這表明鄰近屏蔽對于研究高磁場中的短程關(guān)聯(lián)態(tài)和多體物理可能特別有價值。我們預計，這種方法對于研究石墨烯多層膜和超晶格將特別有益。隨著二維半導體質(zhì)量的不斷提高，鄰近屏蔽也可能適用于這些系統(tǒng)，因為與單層石墨烯相比，它們具有更豐富的能帶結(jié)構(gòu)和更強的相互作用，可能因無序減少而揭示新的物理現(xiàn)象。另外，正如我們在鄰近柵極器件中在低于80 mT的磁場中觀察到的螺旋量子霍爾效應所證明的那樣，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
