中心成员与合作者研制出基于量子效应的新原理逻辑器件

当半金属或窄带隙半导体处于电中性时，电子空穴可在库伦相互作用下形成“电子-空穴”对（electron-hole pairs）。该准粒子在临界温度以下可发生玻色凝聚，其量子基态称为激子绝缘体。半个世纪以来，激子绝缘体在多个实验体系中被发现，但多为谱学等间接研究。对该关联绝缘体的电学输运以及门电压调控研究尤其缺乏，主要原因是半金属体系（或窄带隙半导体）在电中性附近的电子关联强度调控手段较为受限。

近期，北京大学物理学院研究人员与山西大学、上海科技大学、香港科技大学、沈阳材料科学国家研究中心、辽宁材料实验室、日本国立材料研究所等合作，采用的关联绝缘态路线打破了现有的常规方法，从界面耦合来构建界面长程电荷序，再利用界面态影响石墨烯中的电子关联。这种协同耦合机制是普适的调控方法，有望在更多二维电子气体系中发现有趣的物理现象。

研究人员利用干式堆垛手段，制备了具有双栅的Bernal堆叠的双层石墨烯（BLG）与少层反铁磁绝缘体一氧一氯化铬（CrOCl）垂直异质结。该型器件处于低温基态（1.5 K温度）时，在垂直电场调控下， BLG呈现反常的双栅调控关系，中性点（charge neutrality point，CNP）发生巨大弯曲（图1），并且在弯曲后的中性区域中呈现出一种新奇绝缘态，电阻可达1ⅹ1010 Ohms。这与传统BN夹持的BLG表现出了巨大的反差。后者虽然也会因垂直电场打开能隙，但只有CNP附近较窄区域的掺杂才有绝缘态，并且电阻随垂直电场单调增加，最通常为106 Ohms量级。

理论团队通过计算发现，在垂直电场下，石墨烯中的电荷可转移至一氯一氧化铬界面态并发生自发对称破缺，形成波长在数纳米至数十纳米范围内的电荷序。这种长程序扮演了超周期库伦势的角色，进一步加强上方双层石墨烯自身的电子关联，使得电中性点处的电子-空穴激子配对增强因而在临界温度以下打开关联带隙，体现为输运上可被面内电场、垂直电场、温度、载流子浓度等参数调控的量子绝缘体。

值得提出的是，基于该关联绝缘态，类NMOS、PMOS的晶体管均可以通过维持固定的顶栅（或底栅）时，扫描适当的底栅（或顶栅）获得，并且开关比在10的7次方以上，且具有极强的鲁棒性（见图2）。进一步，研究人员可以采用两个这样的CrOCl/BLG/hBN器件，通过图2c的构型，获得石墨烯晶体管反相器，在1.5 K温度、0.2 V输入电压下的增益约1.2左右。这使石墨烯在未来电子学应用方面迈出了关键一步。

图1. CrOCl-BLG-氮化硼器件中新奇绝缘态。

图2. CrOCl-BLG-氮化硼器件的类NMOS、PMOS晶体管与反相器。

该研究研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、山西省“1311”工程、教育部“部省合建”重点高校项目、山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室等支持，发表于《自然-通讯》杂志Nature Communications, 14, 2136 ( 2023)。

全文链接： https://www.nature.com/articles/s41467-023-37769-2