綜合新聞

新聞博覽

研究發(fā)現(xiàn)石墨烯中載流子濃度的尺寸依賴效應(yīng)

稿件來源：責(zé)任編輯：ICAC 發(fā)布時(shí)間：2025-11-20

提高量子電阻芯片中霍爾器件的集成密度,是實(shí)現(xiàn)量子電阻多量值的關(guān)鍵。然而,霍爾器件尺寸微縮是否影響石墨烯基量子電阻性能,成為該領(lǐng)域亟待研究的科學(xué)問題之一。

針對上述問題,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究團(tuán)隊(duì),在同一石墨烯單晶襯底上,制備出具有不同溝道寬度的霍爾器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,寬度減小導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)完全量子化所需的磁場強(qiáng)度升高。研究團(tuán)隊(duì)通過費(fèi)米速度測量與角分辨光電子能譜(ARPES)分析發(fā)現(xiàn),能帶結(jié)構(gòu)變化和電子—電子相互作用是引起上述尺寸依賴效應(yīng)的主要原因。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合有限數(shù)據(jù)下的機(jī)器學(xué)習(xí)分析,確定了約360μm的溝道寬度,是電阻量值不確定度與提高器件集成度之間的優(yōu)化平衡點(diǎn),并基于此制備出輸出量值為8.604kΩ的石墨烯量子電阻陣列。

團(tuán)隊(duì)通過制備不同溝道寬度的石墨烯霍爾器件,并旋涂摻雜劑,精確調(diào)控載流子類型和密度。測量結(jié)果發(fā)現(xiàn),石墨烯霍爾器件中的載流子密度隨溝道寬度變化呈現(xiàn)規(guī)律性差異,即在電子摻雜條件下,載流子密度隨溝道寬度增加而降低;在空穴摻雜條件下,則相反。這一現(xiàn)象在溝道寬度≤400μm時(shí)尤為明顯,直接影響了器件進(jìn)入量子化霍爾平臺(tái)所需的磁場閾值。

為揭示其物理機(jī)制,團(tuán)隊(duì)結(jié)合輸運(yùn)測量與ARPES,發(fā)現(xiàn)器件尺寸變化會(huì)導(dǎo)致石墨烯能帶結(jié)構(gòu)的細(xì)微重整化。費(fèi)米速度測量進(jìn)一步證實(shí),電子—電子相互作用與尺寸效應(yīng)共同改變了狄拉克錐形狀,從而引起載流子密度隨尺寸變化。基于此規(guī)律,團(tuán)隊(duì)采用支持向量回歸(SVR)機(jī)器學(xué)習(xí)模型,對溝道寬度等參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化,確定了約360μm為電阻不確定度與集成密度間的最佳平衡點(diǎn),并據(jù)此制備輸出量值為8.604kΩ的量子霍爾電阻陣列。該陣列在約±1.5T磁場下,即可進(jìn)入量子化平臺(tái),并于85μA電流下,達(dá)到3.0×10??的最低不確定度。

該研究揭示了石墨烯量子霍爾器件中,載流子密度的顯著尺寸依賴效應(yīng),為高性能、多量值的量子電阻器件設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵依據(jù)。

近日,相關(guān)研究成果發(fā)表在Materials Today Physics上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、上海市等的支持。