量子霍尔效应（QHE）的界面耦合诱导与双栅调控：石墨烯-CrOCl异质结的机制研究

量子霍尔效应（QHE）作为凝聚态物理中的经典现象，其拓扑保护的边缘态在精密测量和量子计算中具有重要价值。近年来，石墨烯因其独特的狄拉克锥能带结构成为研究QHE的理想平台。然而，界面耦合对QHE的调控机制仍存在诸多未解之谜。本研究通过构建石墨烯与反铁磁绝缘体CrOCl的异质结，并基于ECOPIA霍尔效应测试仪HMS-3000的高精度电学表征系统，首次观测到一种全新的量子霍尔相。

石墨烯-CrOCl异质结的独特性质

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图1 CrOCl支撑石墨烯的表征

 

研究采用干法转移技术制备了h-BN/石墨烯/CrOCl异质结构（图1c-d）。电学表征发现，与传统h-BN封装石墨烯相比（图1a蓝色曲线），CrOCl接触导致石墨烯的狄拉克峰完全消失（红色曲线），表明界面耦合显著改变了电子结构。双栅极扫描进一步揭示了三种不同的掺杂区域（图1e）：空穴掺杂、电子掺杂以及强界面耦合（SIC）相。

新型量子霍尔相的发现

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图2 量子霍尔（QH）区间的栅极可调SIC效应

 

通过系统的低温强磁场输运测量，研究揭示了石墨烯-CrOCl异质结中两种截然不同的量子霍尔相。在14 T磁场和3 K条件下，空穴掺杂侧（nₜₒₜ= -3.8×10¹² cm⁻²）表现出典型的传统QHE特征（图2a）：清晰的朗道能级扇形分布，横向电阻Rₓᵧ呈现ν=-2,-6,-10等完整的量子化平台序列，且有效位移场Dₑₑₑ对朗道能级影响微弱，完美符合单层石墨烯狄拉克费米子的预期行为。而在电子掺杂侧（nₜₒₜ = +1.8×10¹² cm⁻²），量子霍尔行为展现出革命性的变化（图2c）。朗道能级分布从扇形突变为级联状，ν=±2平台占据主导地位，其量子化区域可扩展至Dₑₑₑ变化超过2V/nm的宽范围。特别值得注意的是，在Dₑₑₑ=0.35 V/nm时（图2e-f），电子侧的ν=-2平台持续占据整个掺杂范围，与空穴侧完整的朗道能级分裂形成鲜明对比。

界面电荷转移效应

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图3 石墨烯-CrOCl异质结中SIC-QHE相的特征

 

深入研究SIC-QHE相的微观特性（图3）发现，在重新标定的δD（=D-Dₙₑᵤₜᵣₐₗ）参数空间中，ν=±2量子化平台可延伸至B≈100 mT的超低磁场（图3a-b）。当δD=-0.08 V/nm时（图3c），Rₓᵧ=±0.5h/e²的量子化精度高达99%以上，Rₓₓ在平台处接近零值，且正反磁场扫描完全重合，排除了量子反常霍尔效应的可能性。温度依赖性研究（图3c插图）更显示出该体系的卓越稳定性。在δD=-0.15 V/nm条件下，器件S40的量子化特征可保持至80 K，仅需350 mT的临界磁场，这一温度远高于CrOCl的尼尔温度（13 K），确证了其非磁性的物理起源。通过分析B=-1T时的Rₓₓ峰位（图3d红点），发现δD与√N呈现完美的线性关系（图3e），符合δD=α√B|N|（α=0.513）的抛物线拟合（图3f）。这一关键结果表明，位移场可直接调控朗道能级的化学势，而界面耦合诱导的能隙增大效应使得低磁场下的量子化成为可能。

狄拉克锥能带调控

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图4 Dₑₑₑ-nₜₒₜ空间的QH相图及相变过程

 

Dₑₑₑ-nₜₒₜ空间的实验（图4a）与理论（图4b）相图高度吻合。分析表明：

• 石墨烯费米能级与CrOCl界面带对齐时（图4e），会形成长程电荷序
• 这种电荷序产生的库仑势显著增强了石墨烯的费米速度（提升3-5倍）
• 在狄拉克点处打开能隙（图4f）

这种能带重构使得在极低磁场下就能产生足够大的回旋能隙，从而解释了SIC-QHE相的特殊稳定性。

二维材料量子器件新方向

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图5 不同体系中实现量子化霍尔电导所需的磁场与温度条件

 

如图5所示，本研究实现的SIC-QHE相在性能参数上具有显著优势：

• 低磁场需求：量子化霍尔电导在<0.1 T下即可实现，远低于黑磷（>1 T）和InSe等材料。
• 高温稳定性：在液氮温度（80 K）下仍保持量子化，优于多数已知的量子反常霍尔体系。

这项工作首次证明，通过精准的界面工程设计，可以在温和条件下实现稳定的量子霍尔效应。这为开发实用化的量子器件提供了新思路。

ECOPIA霍尔效应测试仪 HMS-3000

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ECOPIA霍尔效应测试仪HMS-3000是一款专业用于半导体材料电学特性分析的高精度仪器。该仪器可精准测量载流子浓度、迁移率、电阻率及霍尔系数等关键参数，这些参数是表征半导体材料电学性能的核心指标。

高精度恒流源（1nA~20mA），适应不同材料的测试需求

 

 

六级电流精细分级，最大限度降低误差，确保测量准确性

 

 

低噪声测量技术：范德堡法则转换+非接触式设计，有效抑制仪器噪声，提升信号纯净度

 

 

本研究依托ECOPIA霍尔效应测试仪HMS-3000的精准测量能力，不仅深化了对界面耦合效应的理解，更为量子材料的能带工程开辟了新途径。未来研究计划将这一界面调控策略拓展至其他二维磁性异质结体系，探索更多衍生拓扑态，并评估其在量子电阻标准中的应用潜力。原文出处：《Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling》*特别声明：本公众号所发布的原创及转载文章，仅用于学术分享和传递行业相关信息。未经授权，不得抄袭、篡改、引用、转载等侵犯本公众号相关权益的行为。内容仅供参考，如涉及版权问题，敬请联系，我们将在第一时间核实并处理。