石墨烯近邻屏蔽技术实现电子质量革命性突破：量子迁移率突破107 cm2 V-1 s-1

本研究通过创新性地采用1 nm间距石墨烯-石墨栅极近邻屏蔽技术，将石墨烯电荷不均匀性降低两个数量级至3×107 cm-2，实现量子迁移率107 cm2 V-1 s-1的突破性进展。该技术使Shubnikov-de Haas振荡在1 mT超低场下显现，为探索纳米尺度强关联现象提供新范式。

在二维材料研究领域，石墨烯的电子质量始终是制约其量子现象探索的关键瓶颈。尽管经过十余年优化，hBN封装石墨烯的迁移率仍落后于半导体异质结（如GaAlAs异质结的迁移率达5.7×10⁷ cm² V^-1 s^-1）。电荷不均匀性和边缘散射两大难题，使得石墨烯在低载流子密度下的输运特性长期受限。更令人困扰的是，传统远程栅极对纳米尺度电势波动的屏蔽效果有限，导致量子霍尔效应（QHE）通常需要数百毫特斯拉磁场才能显现。这些限制严重阻碍了石墨烯在量子计算和低功耗电子器件中的应用潜力。

为突破这些限制，由Andre K. Geim团队领衔的国际合作研究提出革命性解决方案：采用原子级平整的石墨晶体作为近邻栅极，与石墨烯仅间隔1 nm厚的hBN介电层。这种设计通过镜像电荷屏蔽原理（原理公式：[1-exp(-2παd/L)]，其中α≈1.5为hBN介电常数各向异性因子），将长程电势波动抑制在0.5 meV以下。研究团队开发了独特的范德华组装技术，通过精确控制多层hBN（3-4原子层）与石墨烯的堆叠速度，制备出宽度6-10 μm的霍尔棒器件。关键创新在于采用三明治结构：顶部为20-70 nm hBN/金铬栅极，底部为1 nm hBN/石墨栅极，这种非对称设计既保证量子电容效应又避免隧穿漏电。

研究结果揭示出三大突破性发现：

1. 1.

   非凡的均匀性：通过对比传统远程栅极（δn≈2×10⁹ cm^-2）与近邻屏蔽器件，发现电荷不均匀性降低至3×10⁷ cm^-2，相当于每平方微米仅剩1个载流子。

   

   温度依赖实验证实，在10 K以上时δn完全由热激发载流子主导，符合n_th=(π/6)(k_BT)²/(?v_F)²理论预测。

2. 2.

   弹道传输：在n≈10⁹ cm^-2时测得平均自由程?≈21 μm，超越器件物理宽度（8.5 μm）。

   

   磁聚焦实验显示，在L=13.5 μm间距下仍能观测到清晰共振峰，对应迁移率μ≥6×10⁷ cm² V^-1 s^-1。中性点处狄拉克等离子体展现负弯曲电阻，证实即使在玻尔兹曼体系下仍保持弹道传输。

3. 3.

   毫特斯拉量子效应：

   

   Landau能级在1 mT下即出现明显分裂，量子迁移率μ_q达10⁷ cm² V^-1 s^-1，较传统器件提升10倍。QHE在5 mT下即形成完整平台，平台过渡宽度仅6×10⁷ cm^-2。值得注意的是，虽然近邻屏蔽抑制了长程电子相互作用，但分数量子霍尔态（FQHE）在12 T下仍保持可观能隙（v=2/3态能隙约3-5倍于未屏蔽器件），证实10 nm尺度内的强关联现象依然稳定。

   

该研究开创性地证明，近邻屏蔽技术可同时实现石墨烯电子质量的量级提升与纳米尺度强关联现象的保留。通过将量子迁移率推至10⁷ cm² V^-1 s^-1新高度，使QHE在5 mT级磁场下的观测成为可能，为拓扑量子计算研究提供全新平台。特别值得关注的是，研究揭示的?_B/2d≈4（?_B为磁长度）相互作用抑制规律，为二维材料中长程与短程效应的精确调控建立普适标准。这项发表于《Nature》的工作不仅解决了石墨烯研究十余年的核心瓶颈，其技术路线更可推广至过渡金属硫族化合物等新兴二维体系，为探索强关联物理开辟新途径。