量子霍爾效應(yīng)（QHE）作為凝聚態(tài)物理中的經(jīng)典現(xiàn)象，其拓?fù)浔Ｗo(hù)的邊緣態(tài)在精密測(cè)量和量子計(jì)算中具有重要價(jià)值。近年來(lái)，石墨烯因其獨(dú)特的狄拉克錐能帶結(jié)構(gòu)成為研究QHE的理想平臺(tái)。然而，界面耦合對(duì)QHE的調(diào)控機(jī)制仍存在諸多未解之謎。本研究通過構(gòu)建石墨烯與反鐵磁絕緣體CrOCl的異質(zhì)結(jié)，并基于ECOPIA霍爾效應(yīng)測(cè)試儀HMS-3000的高精度電學(xué)表征系統(tǒng)，首次觀測(cè)到一種全新的量子霍爾相。

石墨烯-CrOCl異質(zhì)結(jié)的獨(dú)特性質(zhì)

/Xfilm

圖1 CrOCl支撐石墨烯的表征

研究采用干法轉(zhuǎn)移技術(shù)制備了h-BN/石墨烯/CrOCl異質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖1c-d）。電學(xué)表征發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)h-BN封裝石墨烯相比（圖1a藍(lán)色曲線），CrOCl接觸導(dǎo)致石墨烯的狄拉克峰完全消失（紅色曲線），表明界面耦合顯著改變了電子結(jié)構(gòu)。雙柵極掃描進(jìn)一步揭示了三種不同的摻雜區(qū)域（圖1e）：空穴摻雜、電子摻雜以及強(qiáng)界面耦合（SIC）相。

新型量子霍爾相的發(fā)現(xiàn)

/Xfilm

圖2 量子霍爾（QH）區(qū)間的柵極可調(diào)SIC效應(yīng)

通過系統(tǒng)的低溫強(qiáng)磁場(chǎng)輸運(yùn)測(cè)量，研究揭示了石墨烯-CrOCl異質(zhì)結(jié)中兩種截然不同的量子霍爾相。在14 T磁場(chǎng)和3 K條件下，空穴摻雜側(cè)（n???= -3.8×1012 cm?2）表現(xiàn)出典型的傳統(tǒng)QHE特征（圖2a）：清晰的朗道能級(jí)扇形分布，橫向電阻R??呈現(xiàn)ν=-2,-6,-10等完整的量子化平臺(tái)序列，且有效位移場(chǎng)D???對(duì)朗道能級(jí)影響微弱，完美符合單層石墨烯狄拉克費(fèi)米子的預(yù)期行為。而在電子摻雜側(cè)（n??? = +1.8×1012 cm?2），量子霍爾行為展現(xiàn)出革命性的變化（圖2c）。朗道能級(jí)分布從扇形突變?yōu)榧?jí)聯(lián)狀，ν=±2平臺(tái)占據(jù)主導(dǎo)地位，其量子化區(qū)域可擴(kuò)展至D???變化超過2V/nm的寬范圍。特別值得注意的是，在D???=0.35 V/nm時(shí)（圖2e-f），電子側(cè)的ν=-2平臺(tái)持續(xù)占據(jù)整個(gè)摻雜范圍，與空穴側(cè)完整的朗道能級(jí)分裂形成鮮明對(duì)比。

界面電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)

/Xfilm

圖3 石墨烯-CrOCl異質(zhì)結(jié)中SIC-QHE相的特征

深入研究SIC-QHE相的微觀特性（圖3）發(fā)現(xiàn)，在重新標(biāo)定的δD（=D-D???????）參數(shù)空間中，ν=±2量子化平臺(tái)可延伸至B≈100 mT的超低磁場(chǎng)（圖3a-b）。當(dāng)δD=-0.08 V/nm時(shí)（圖3c），R??=±0.5h/e2的量子化精度高達(dá)99%以上，R??在平臺(tái)處接近零值，且正反磁場(chǎng)掃描完全重合，排除了量子反?；魻栃?yīng)的可能性。溫度依賴性研究（圖3c插圖）更顯示出該體系的卓越穩(wěn)定性。在δD=-0.15 V/nm條件下，器件S40的量子化特征可保持至80 K，僅需350 mT的臨界磁場(chǎng)，這一溫度遠(yuǎn)高于CrOCl的尼爾溫度（13 K），確證了其非磁性的物理起源。通過分析B=-1T時(shí)的R??峰位（圖3d紅點(diǎn)），發(fā)現(xiàn)δD與√N(yùn)呈現(xiàn)完美的線性關(guān)系（圖3e），符合δD=α√B|N|（α=0.513）的拋物線擬合（圖3f）。這一關(guān)鍵結(jié)果表明，位移場(chǎng)可直接調(diào)控朗道能級(jí)的化學(xué)勢(shì)，而界面耦合誘導(dǎo)的能隙增大效應(yīng)使得低磁場(chǎng)下的量子化成為可能。

狄拉克錐能帶調(diào)控

/Xfilm

圖4 D???-n???空間的QH相圖及相變過程

D???-n???空間的實(shí)驗(yàn)（圖4a）與理論（圖4b）相圖高度吻合。分析表明：

• 石墨烯費(fèi)米能級(jí)與CrOCl界面帶對(duì)齊時(shí)（圖4e），會(huì)形成長(zhǎng)程電荷序
• 這種電荷序產(chǎn)生的庫(kù)侖勢(shì)顯著增強(qiáng)了石墨烯的費(fèi)米速度（提升3-5倍）
• 在狄拉克點(diǎn)處打開能隙（圖4f）

這種能帶重構(gòu)使得在極低磁場(chǎng)下就能產(chǎn)生足夠大的回旋能隙，從而解釋了SIC-QHE相的特殊穩(wěn)定性。

二維材料量子器件新方向

/Xfilm

圖5 不同體系中實(shí)現(xiàn)量子化霍爾電導(dǎo)所需的磁場(chǎng)與溫度條件

如圖5所示，本研究實(shí)現(xiàn)的SIC-QHE相在性能參數(shù)上具有顯著優(yōu)勢(shì)：

• 低磁場(chǎng)需求：量子化霍爾電導(dǎo)在<0.1 T下即可實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)低于黑磷（>1 T）和InSe等材料。
• 高溫穩(wěn)定性：在液氮溫度（80 K）下仍保持量子化，優(yōu)于多數(shù)已知的量子反?；魻栿w系。

這項(xiàng)工作首次證明，通過精準(zhǔn)的界面工程設(shè)計(jì)，可以在溫和條件下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的量子霍爾效應(yīng)。這為開發(fā)實(shí)用化的量子器件提供了新思路。

ECOPIA霍爾效應(yīng)測(cè)試儀 HMS-3000

/Xfilm

ECOPIA霍爾效應(yīng)測(cè)試儀HMS-3000是一款專業(yè)用于半導(dǎo)體材料電學(xué)特性分析的高精度儀器。該儀器可精準(zhǔn)測(cè)量載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)是表征半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的核心指標(biāo)。

高精度恒流源（1nA~20mA），適應(yīng)不同材料的測(cè)試需求

六級(jí)電流精細(xì)分級(jí)，最大限度降低誤差，確保測(cè)量準(zhǔn)確性

低噪聲測(cè)量技術(shù)：范德堡法則轉(zhuǎn)換+非接觸式設(shè)計(jì)，有效抑制儀器噪聲，提升信號(hào)純凈度

本研究依托ECOPIA霍爾效應(yīng)測(cè)試儀HMS-3000的精準(zhǔn)測(cè)量能力，不僅深化了對(duì)界面耦合效應(yīng)的理解，更為量子材料的能帶工程開辟了新途徑。未來(lái)研究計(jì)劃將這一界面調(diào)控策略拓展至其他二維磁性異質(zhì)結(jié)體系，探索更多衍生拓?fù)鋺B(tài)，并評(píng)估其在量子電阻標(biāo)準(zhǔn)中的應(yīng)用潛力。原文出處：《Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling》*特別聲明：本公眾號(hào)所發(fā)布的原創(chuàng)及轉(zhuǎn)載文章，僅用于學(xué)術(shù)分享和傳遞行業(yè)相關(guān)信息。未經(jīng)授權(quán)，不得抄襲、篡改、引用、轉(zhuǎn)載等侵犯本公眾號(hào)相關(guān)權(quán)益的行為。內(nèi)容僅供參考，如涉及版權(quán)問題，敬請(qǐng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間核實(shí)并處理。