在探索量子输运现象时，二维系统的电子质量至关重要。在半导体异质结构中，经过数十年的优化，已经获得了创纪录质量的二维气体，其输运和量子迁移率分别接近108和106 cm2 V−1 s−1。尽管石墨烯器件的质量也在不断提高，但相比之下仍然较低。本研究通过采用与石墨烯紧密相邻（间距1 nm）的石墨栅极， 实现了石墨烯电子质量的变革性提升。由此产生的屏蔽效应将电荷不均匀性降低了两个数量级，降至每平方厘米几个107个电荷，并将电位波动限制在1 meV以下。量子迁移率达到107 cm2 V−1 s−1，比最高质量的半导体异质结构高出一个数量级，输运迁移率也达到了创纪录水平。这种质量使得在低至1 mT的磁场中就能观察到舒布尼科夫-德哈斯振荡，在低于5 mT的磁场中就能观察到量子霍尔平台。尽管邻近屏蔽可预测地抑制了电子-电子相互作用，但与未屏蔽器件相比，分数量子霍尔态仍然可见，其能隙仅减少了3-5倍，这表明在短于10 nm的空间尺度上的多体现象仍然稳健。我们的研究结果为提高石墨烯和其他二维系统的电子质量提供了可靠途径，这将有助于探索以前因无序而模糊的新物理现象。
 
 
图1 | 邻近筛选对电荷均匀性的深远影响
a，ρxx（n）特性为远程石墨门设备（红色曲线）和我们的邻近门设备（蓝色，设备S1）;
B＝0和T≈2K。虽然这些曲线可能看起来像是文献中的许多曲线，但蓝色曲线
比任何之前报道的设备都要窄大约100倍。蓝色曲线达到约100千欧
但为清晰起见而被切断。左插图，邻近门设备的示意图。右插图，说明如何评估δn。
b，邻近门设备和远程门设备（按颜色编码）的δn温度依赖性。
黑色抛物线表示δn的预期值对于完美的石墨烯。红色曲线是残留不均匀性和热激发18的预期组合效应。蓝色圆圈表示低T
区域受方法中讨论的金属-绝缘体转变的影响。插图，邻近门设备的光学显微照片。白色虚线标出石墨门的位置。比例尺，10微米。
解析：
这段文字是科学论文中的一部分，描述的是使用邻近门（Proximity Gating）技术来提高石墨烯电子质量的实验结果。图1展示了使用邻近门技术（邻近石墨门）与远程石墨门（Remote Gating）设备在电阻率ρxx随载流子密度n变化时的对比。通过邻近门技术，可以得到一个100倍更窄的ρxx曲线，表明电荷的均匀性得到了显著提高。同时，还展示了δn（电荷不均匀性）随温度的变化，说明邻近门技术可以有效地减少电荷不均匀性。图1还包含了一些插图，用于解释邻近门技术的示意图和光学显微照片，展示了邻近门设备的微观结构。
 
 
图2 | 近距屏蔽石墨烯中的弹道输运
a，电导率和平均自由程（分别为黑色和红色曲线）。蓝色虚线表示由边缘散射限制的输运所预期的n1/2依赖关系（最佳拟合得出ℓ≈9µm）。红色直线表示实际器件宽度约为8.5µm。
b，通过磁聚焦探测弹道输运。左图，聚焦电阻R21,34(n, B)＝V34/I21的映射图（蓝到红尺度，-5Ω至5Ω）。电流I21在接触点2和1之间驱动，如插图所示。电压V34在接触点3和4之间测量。L≈13.5µm。黑色虚线表示前两个聚焦峰的预期位置（对应的轨迹如插图所示）。右图，在映射图中标记的固定n处的垂直切割，由彩色虚线标出。
c，弯曲电阻测量的示例。插图，测量几何形状（左）和器件的光学显微镜图像（右）。色图显示R61,42（色标与b相同）。虚线是W＝Dc/2的条件，预计在此条件下弯曲电阻会反转其符号。a中的数据来自器件S4，在2K下测量。b和c中的数据来自器件S6（在20K下测量以抑制介观效应）。比例尺，10µm。
解析
这段文字和图表描述了近距屏蔽石墨烯中的弹道输运现象，主要通过三个部分进行展示：
电导率和平均自由程（图2a）：
图表展示了石墨烯器件的电导率（黑色曲线）和平均自由程（红色曲线）随载流子密度n的变化关系。
蓝色虚线表示如果输运主要由边缘散射限制，电导率应如何随n1/2变化。最佳拟合得出平均自由程ℓ约为9µm。
红色直线表示器件的实际宽度约为8.5µm，这有助于理解边缘散射对输运的影响。
磁聚焦探测弹道输运（图2b）：
左图展示了聚焦电阻R21,34(n, B)随载流子密度n和磁场B的变化映射图。
电流I21在接触点2和1之间驱动，电压V34在接触点3和4之间测量。
黑色虚线表示前两个聚焦峰的预期位置，这些峰对应于电荷载流子在磁场中的特定轨迹。
右图展示了在固定n值处的垂直切割，显示了聚焦电阻随磁场B的变化，进一步验证了弹道输运的存在。
弯曲电阻测量（图2c）：
插图展示了测量弯曲电阻的几何形状和器件的光学显微镜图像。
色图显示了弯曲电阻R61,42随载流子密度n和某些其他参数（可能是磁场或电压）的变化。
虚线表示W＝Dc/2的条件，这是弯曲电阻反转符号的预期条件。这一条件有助于理解弹道输运中电荷载流子的行为。
数据来自两个不同的器件（S4和S6），并在不同的温度下测量，以展示弹道输运在不同条件下的表现。
整体解析：
这段文字和图表共同展示了近距屏蔽石墨烯中的弹道输运现象。通过测量电导率、平均自由程、磁聚焦电阻和弯曲电阻，研究者能够验证石墨烯中电荷载流子的弹道输运行为。这些测量不仅有助于理解石墨烯的电子性质，还为开发基于石墨烯的高性能电子器件提供了重要信息。特别是，近距屏蔽技术的应用显著提高了石墨烯的电子质量，使得弹道输运在更广泛的条件下得以实现。
 
 
图3 | 在毫特斯拉磁场下的量子化现象
a，朗道扇形图 ρxx(n,B)（白色至蓝色渐变，表示0至4千欧）。带蓝色虚线的数字表示填充因子ν。
b，从a图中在不同磁场B下水平切割得到的图像。插图展示了低磁场下扇形图的细节（白色至蓝色渐变，表示0至40千欧）。箭头：预期ν＝−2的位置。注意，在电荷中性点附近，ρxx(n)变化迅速，导致出现一个宽阔的深色区域，掩盖了舒布尼科夫-德哈斯（SdH）振荡的开始。这些振荡在水平切割图中能更好地分辨（另见扩展数据图6）。
c，ρxy的映射图（蓝色至红色渐变，表示±h/2e²）。叠加的曲线展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉下ρxy(n)的轨迹（为清晰起见进行了偏移）。箭头标记了半高宽处的完整转变宽度，约为6×10⁷ cm⁻²。所有数据均为设备S1在2开尔文下的测量结果。
解析
这段文字描述了图3中的三个子图，它们共同展示了在极低磁场（毫特斯拉级别）下石墨烯中的量子化现象。
子图a：展示了朗道扇形图，即电阻率ρxx随载流子浓度n和磁场B的变化关系。图中用白色到蓝色的渐变表示电阻率的大小，蓝色虚线标注了不同的填充因子ν。这个图直观地展示了在不同磁场和载流子浓度下，石墨烯中的量子霍尔效应状态。
子图b：是从子图a中在不同磁场B下水平切割得到的图像，用于更详细地分析SdH振荡的开始。插图特别关注了低磁场下的情况，箭头指出了预期中ν＝−2的位置。由于电荷中性点附近电阻率变化迅速，形成了一个掩盖SdH振荡开始的深色区域。然而，通过水平切割图，可以更清晰地观察到这些振荡。
子图c：展示了霍尔电阻率ρxy的映射图，用蓝色到红色的渐变表示其正负和大小。图中叠加的曲线展示了在5毫特斯拉和10毫特斯拉磁场下，ρxy随载流子浓度n的变化轨迹。箭头标记了半高宽处的完整转变宽度，这个宽度量化了量子霍尔效应中平台之间的转变区域。这个子图进一步证实了石墨烯在极低磁场下就能展现出清晰的量子霍尔效应。
整体解析：
图3通过三个子图共同展示了石墨烯在极低磁场下的量子化现象。子图a提供了整体的朗道扇形图，子图b通过水平切割图详细分析了SdH振荡的开始，而子图c则通过霍尔电阻率的映射图展示了量子霍尔效应的平台和转变区域。这些结果共同表明，通过邻近门控技术，石墨烯的电子质量得到了显著提升，使得在极低磁场下就能观察到清晰的量子化现象。
 
 
图4 | 接近门控设备中的分数QHE。a，ρxy和ρxx在12 T和50 mK（红色和蓝色曲线；左轴和右轴，分别）。数据作为接近门电压的函数绘制，由于石墨门中的2.5维QHE和负量子电容效应31，无法准确转换为载流子密度。ρxy以ν＝（h/e2）/ρxy的形式绘制。水平线标记分数板极的预期位置。箭头指示相应的ρxx最小值。b，用于提取激活能（activation energies）的电阻最小值（normalized by values at 2 K）的Arrhenius图，对于ν＝2/3和5/3的情况。c，接近门控设备S1（红色符号）和远程门控设备（带有误差条的蓝色符号）的分数QHE间隙的比较。蓝色矩形符号是预期的间隙，通过使用ℓB/2d抑制因子（d=1nm和ℓB≈7.5nm，对于12T）计算得出。
解析：
1、研究背景：二维材料石墨烯的电子质量对量子运输现象的研究至关重要。
2、接近门控：在石墨烯附近放置石墨门，通过静电屏蔽（proximity screening）显著提高了石墨烯的电子质量。
3、量子霍尔效应：这种提升对量子霍尔效应的影响被研究，它涉及到电子在强磁场中的行为。
4、实验数据：
*ρxy和ρxx：ρxy是霍尔电阻，ρxx是纵向电阻。这些数据反映了在不同磁场和温度下，石墨烯的电阻如何随载流子密度的变化而变化。
*Arrhenius图：用于提取激活能，即描述电子跃迁的能量阈值。
*分数QHE间隙：这是量子霍尔效应中不同填充因子（ν）的能隙，表示了不同电子态之间的能量差异。
5、结果对比：在接近门控和远程门控的两种情况下，分数QHE间隙被比较，显示了接近门控带来的电子质量提升对量子霍尔效应的影响。
整体而言，该研究展示了通过接近门控技术提高石墨烯电子质量并进而影响量子霍尔效应的可能性。

      我们的研究表明，邻近屏蔽可以将石墨烯的电子质量提高多达两个数量级。由此产生的电荷均匀性是前所未有的（狄拉克点波动小于10 K），使得在几毫特斯拉的磁场中就能实现极窄的朗道能级和量子霍尔效应。尽管这种质量的提升是以抑制多体现象为代价的，但涉及相对较短空间尺度（小于10 nm）的相互作用仍然很强，这表明邻近屏蔽对于研究高磁场中的短程关联态和多体物理可能特别有价值。我们预计，这种方法对于研究石墨烯多层膜和超晶格将特别有益。随着二维半导体质量的不断提高，邻近屏蔽也可能适用于这些系统，因为与单层石墨烯相比，它们具有更丰富的能带结构和更强的相互作用，可能因无序减少而揭示新的物理现象。另外，正如我们在邻近栅极器件中在低于80 mT的磁场中观察到的螺旋量子霍尔效应所证明的那样，我们的方法可用于有意抑制多体相互作用，同时提供 卓越的电子质量。https://doi.org/10.1038/s41586-025-09386-0

转自《石墨烯研究》公众号