高迁移率 n 型二硫化钼晶体管中分数量子霍尔相研究

背景与研究动机

在低温下，基于半导体过渡金属二硫属化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）的晶体管理论上可提供高载流子迁移率、强自旋轨道耦合和内在的强电子相互作用。这使其成为探索多体电子相互作用和量子态的理想平台。然而，由于在极低温下实现与 TMD 材料的鲁棒欧姆接触（Ohmic Contact）的挑战，长期以来，尚无法全面研究费米水平接近能带边缘情况下电子关联的特性，特别是在部分填充 Landau 能级（Landau Levels, LLs）下的分数量子霍尔（Fractional Quantum Hall, FQH）现象。

本文作者提出了一种“窗口接触技术”，成功实现了从毫开尔文到室温范围内的 n 型二硫化钼（MoS₂）欧姆接触。在此基础上，他们报告了在双层 MoS₂ 的最低 Landau 能级下填充分数为 ⁴⁄₅ 和 ²⁄₅ 的分数量子霍尔状态的证据，为 TMDs 在量子计算和低温电子器件中的应用打开了新的大门。

论文来源

本文由 Siwen Zhao、Jinqiang Huang 和 Valentin Crépel 等人合作完成，研究团队来自中国、美国、法国和日本的多所著名研究机构。文章发表于 2024 年 12 月的《Nature Electronics》（Volume 7，1117–1125）。本文的通讯作者包括 Jing Zhang（山西大学）、Nicolas Regnault（巴黎高等师范学院）等。

研究设计与方法

研究流程与实验方法

1. 样品制备与结构设计
   作者采用“窗口”式电极接触方法，为研究的 n 型单层和双层 MoS₂ 构建了欧姆接触。首先，他们在氮气手套箱内通过干转移方法将 MoS₂ 与六方氮化硼（hBN）进行封装（“hBN/MoS₂/hBN”三明治结构）。随后，通过电子束光刻在顶部 hBN 上预制蚀刻窗口，并利用 Bi/Au 电极的热蒸发将电极材料沉积至暴露的 MoS₂ 表面，从而实现低温条件下的欧姆接触。

2. 迁移率测量与对比
   在 300 毫开尔温（mK）~300 K 的温度范围内，研究团队通过两端和四端法测试了样品的迁移率，观察到超过 100,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹ 的场效应迁移率，以及超过 3,000 cm²·V⁻¹·s⁻¹ 的量子迁移率。这些数据与其他 TMD 接触方法（如边缘工程接触等）相比具备显著优势。

3. Landau 能级及量子态表征
   利用高达 34 T 的磁场和 300 mK 的低温环境，研究团队通过双门极调控对样品的 Landau 能级分布进行了系统研究。在极低载流子密度和量子极限（filling fraction ν ≤ 1）条件下，揭示了填充分数为 ⁴⁄₅ 和 ²⁄₅ 的 FQH 态。通过纵向和横向电导的量化特性，他们确认这些 FQH 态来源于电子相互作用。

4. 理论建模与计算
   作者基于微观理论模型，对双层 MoS₂ 的层间效应和电子相互作用进行了数值模拟。他们使用 Haldane 伪势（Haldane Pseudopotentials）计算电子间相互作用的有效势能，分析了实验中观察到的分数量子霍尔态与理论趋势的吻合性，以及实验平台中可能无法观察到其他特定分数态（如 1/3）的原因。

研究过程中的创新点

• 欧姆接触方法创新
  与现有的边缘接触或底接触方法不同，“窗口接触技术”显著降低了低温条件下双层 MoS₂ 与电极间的接触电阻（约 450 Ω·μm）。该方法为实现量子霍尔输运特性测量提供了稳定平台。
• 双层 TMD 特性探索
  对双层 MoS₂ 层间耦合效应的研究表明，其在有限的垂直电场（Ez）作用下表现为单层 MoS₂ 的电子行为，具备显著的层-谷锁定（layer-valley locking）特性。这为未来探索 TMD 异质结构中的电子-电子相互作用开辟了新的方向。

研究结果及结论

1. 主要实验发现

   • 在实验中，首次观测到双层 MoS₂ 的最低 Landau 能级中分数态为 ⁴⁄₅ 和 ²⁄₅ 的量子霍尔态。这些态具有对称性独立的层极化特性，与理论预测结果一致。
   • 研究还发现分数态的能隙大小约为 1 K，能隙状态对外加电场的调节不敏感。

2. 理论验证
   理论模型验证了 MoS₂ 中有限厚度和电介质环境的屏蔽效应对 Haldane 伪势的显著影响，解释了实验中某些分数量子态缺失的可能原因。研究发现，在双层 MoS₂ 中，这种屏蔽效应对能隙较窄的 FQH 态（如 1/3）尤为显著。

3. 潜在应用场景

   • 作者指出，以上述技术为基础的高迁移率双栅 TMD 器件可在低温量子计算平台中发挥重要作用。
   • 研究工作还为 TMD 弯曲材料学（Twistronics）、库仑拖曳器件以及低温高电子迁移率晶体管的设计提供了实验依据。

研究的学术与应用价值

本文的研究意义主要体现在以下方面： 1. 科学价值
本研究将分数量子霍尔态的研究，从传统的二维电子气（如 GaAs 和石墨烯）扩展到二维半导体 TMD 系统，揭示了 TMD 系统中电介质及层间相互作用对分数量子态稳定性的重要影响。 2. 技术价值
所开发的低阻欧姆接触技术，为低温量子输运特性的研究提供了前所未有的实验便利，这种方法未来可拓展至其他 TMD 及二维材料。 3. 应用前景
通过精确调控 TMD 层间耦合及能带特性，可开发用于拓扑量子计算和超低温电子设备的高性能量子元件。

研究亮点

• 实验环境先进：研究中使用了 34 T 的高磁场和 300 mK 的低温，处于量子试验的世界领先水平。
• 方法新颖：首次采用二维窗口接触技术，引入了双层 TMD 特性的独特探索路径。
• 结果可靠：实验数据与理论建模深入结合，揭示了 FQH 态在双层 MoS₂ 中的表现特性，并提出了定量的解释。

这项研究不仅拓展了 TMD 材料在低温电子研究中的可行性，也为开发新型量子计算和电子器件奠定了基础，显示出巨大的研究潜力和未来发展空间。