近日，曼彻斯特大学Andre K. Geim教授、Daniil Domaretskiy教授、吴泽飞副研究员和新加坡国立大学Alexey I. Berdyugin教授合作在Nature期刊上发表了题为「Proximity screening greatly enhances electronic quality of graphene」的最新论文。该团队展示了近邻栅极能够实现前所未有的电子质量：其µq达到约10⁷ cm²·V⁻¹·s⁻¹，电荷不均匀性降低至3 × 10⁷ cm⁻²，比采用远端石墨栅极的最佳器件低约100倍，相当于在中性点附近，每几平方微米区域仅剩一个电荷载流子。在低载流子浓度下，当边缘散射不再限制平均自由程ℓ时，输运迁移率超过10⁸ cm²·V⁻¹·s⁻¹。
研究背景
在二维体系中，基于GaAlAs异质结构的器件长期保持着电子质量的纪录。其最新的里程碑是在亚开尔文温度和约1.5 × 10¹¹ cm⁻²的电子浓度下，实现了高达5.7 × 10⁷ cm²·V⁻¹·s⁻¹的输运迁移率，这一成果是在三十年持续努力的基础上取得的，使迁移率提升了约五倍。
石墨烯作为二维体系中的新成员，其电子质量也经历了三次重大飞跃。最初在氧化硅衬底上的器件中，迁移率仅为约10⁴ cm²·V⁻¹·s⁻¹，随后提高至约10⁵ cm²·V⁻¹·s⁻¹，接着进一步提升至约10⁶ cm²·V⁻¹·s⁻¹，这一性能既在悬挂石墨烯中得到展示，也在六方氮化硼 (hBN) 封装的石墨烯中得到验证。这些迁移率是在液氦温度下、载流子浓度 n ≈ 10¹⁰–10¹² cm⁻² 范围内观测到的。
虽然石墨烯保持着所有已知材料中的室温迁移率纪录（在n ≈ 10¹¹ cm⁻² 时，µ超过0.15 × 10⁶ cm²·V⁻¹·s⁻¹，其主要受声子散射限制），但在低温下，其迁移率目前受到两个外在因素的限制：边缘散射和电荷不均匀性。实际上，hBN封装的石墨烯器件通常小于10 µm，这使得在高载流子密度下边缘散射占主导；而在低载流子浓度下，电荷不均匀性δn（即便在最高质量的器件中也超过数10⁹ cm⁻²）限制了输运性能。
一项利用宽度达40 µm的器件的最新研究表明，在高载流子密度下，带电杂质也会将迁移率限制在数10⁶ cm²·V⁻¹·s⁻¹。另一项衡量电子质量的重要参数是量子迁移率µq，它决定了朗道量子化以及相关现象（如SdH振荡和量子霍尔效应）的出现。在最高质量的半导体异质结构中，SdH振荡能够在低至约10 mT的磁场中被观测到，这对应着µq ≈ 10⁶ cm²·V⁻¹·s⁻¹。而在最先进的石墨烯器件中，若要观察SdH振荡，则需要数倍更高的磁场。
图文导读
（1）实验首次在石墨烯近邻处（1 nm间隔）引入石墨栅极，实现了对电荷不均匀性的有效抑制，得到了突破性的电子质量提升。实验结果表明，电荷不均匀性降低了两个数量级，仅为约3 × 10⁷ cm⁻²，势能波动小于1 meV；量子迁移率µq达到10⁷ cm²·V⁻¹·s⁻¹，超过了传统最高质量半导体异质结构一个数量级；输运迁移率µ也达到10⁸ cm²·V⁻¹·s⁻¹，与现有最高纪录相当。这使得石墨烯器件能够在低至1 mT的磁场下观察到Shubnikov–de Haas振荡，并在5 mT以下形成量子霍尔平台，显著超越了此前石墨烯器件的表现。
（2）实验通过利用近邻石墨栅极的强屏蔽效应，降低了由杂质和电荷分布不均导致的外在散射，显著改善了石墨烯低温下的输运特性。尽管电子–电子相互作用在屏蔽下被削弱，但分数量子霍尔态依然可被清晰观察到，其能隙仅比未屏蔽器件降低3–5倍，说明在小于10 nm的尺度上，多体相互作用依旧稳健。这一发现不仅展示了石墨烯体系电子质量的前所未有水平，也为二维材料的器件设计提供了一条可靠途径，为进一步探索此前因无序效应而受限的量子输运与新奇物理现象奠定了基础。
图1 | 近邻屏蔽对电荷均匀性的深远影响。
图2 | 近邻屏蔽石墨烯中的弹道输运。
图3 | 毫特斯拉磁场中的量子化现象。
图4 | 近邻栅极器件中的分数量子霍尔效应。
结论展望
本研究通过近邻屏蔽显著提升了石墨烯的电子质量，电荷不均匀性降低两个数量级，量子迁移率达到前所未有的水平，使得极低磁场下即可观测到量子霍尔效应。这一成果不仅突破了长期以来石墨烯在低温输运性能上的瓶颈，也展示了二维材料通过界面工程实现电子质量优化的可行路径。
更为重要的是，尽管强屏蔽效应削弱了长程多体相互作用，但在纳米尺度内的短程关联依然保持稳健，说明通过调控无序与相互作用之间的平衡，可以选择性地放大或压制不同物理效应。该策略为研究短程关联态、高磁场下的多体物理，以及石墨烯多层结构与超晶格中的新奇量子现象提供了重要思路。未来，这一方法亦可推广至其他二维半导体体系，在更复杂的能带结构和更强相互作用背景下揭示新的物理规律，为探索低无序极限下的量子输运开辟新的方向。
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09386-0
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