山西大學研制出基于量子效應的新原理邏輯器件
近期，山西大學光電研究所與北京大學、上�？萍即髮W、香港科技大學、沈陽材料科學國家研究中心、遼寧材料實驗室、日本國立材料研究所等合作，采用的關聯(lián)絕緣態(tài)路線打破了現(xiàn)有的常規(guī)方法，從界面耦合來構建界面長程電荷序，再利用界面態(tài)影響石墨烯中的電子關聯(lián)。這種協(xié)同耦合機制是普適的調(diào)控方法，有望在更多二維電子氣體系中發(fā)現(xiàn)有趣的物理現(xiàn)象。 'X4)2iFV
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圖1. CrOCl-BLG-氮化硼器件中新奇絕緣態(tài) ;v.J
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當半金屬或窄帶隙半導體處于電中性時，電子空穴可在庫倫相互作用下形成“電子-空穴”對（electron-hole pairs）。該準粒子在臨界溫度以下可發(fā)生玻色凝聚，其量子基態(tài)稱為激子絕緣體。半個世紀以來，激子絕緣體在多個實驗體系中被發(fā)現(xiàn)，但多為譜學等間接研究。對該關聯(lián)絕緣體的電學輸運以及門電壓調(diào)控研究尤其缺乏，主要原因是半金屬體系（或窄帶隙半導體）在電中性附近的電子關聯(lián)強度調(diào)控手段較為受限。 JnqP`kYbTE
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研究人員利用干式堆垛手段，制備了具有雙柵的Bernal堆疊的雙層石墨烯（BLG）與少層反鐵磁絕緣體一氧一氯化鉻（CrOCl）垂直異質結。該型器件處于低溫基態(tài)（1.5 K溫度）時，在垂直電場調(diào)控下，BLG呈現(xiàn)反常的雙柵調(diào)控關系，中性點（charge neutrality point，CNP）發(fā)生巨大彎曲（圖1），并且在彎曲后的中性區(qū)域中呈現(xiàn)出一種新奇絕緣態(tài)，電阻可達10 GOhms。這與傳統(tǒng)BN夾持的BLG表現(xiàn)出了巨大的反差。后者雖然也會因垂直電場打開能隙，但只有CNP附近較窄區(qū)域的摻雜才有絕緣態(tài)，并且電阻隨垂直電場單調(diào)增加，最通常為MOhms量級。 '0o^T 7C
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圖2. CrOCl-BLG-氮化硼器件的類NMOS、PMOS晶體管與反相器。 ~Dw%
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理論團隊通過計算發(fā)現(xiàn)，在垂直電場下，石墨烯中的電荷可轉移至一氯一氧化鉻界面態(tài)并發(fā)生自發(fā)對稱破缺，形成波長在數(shù)納米至數(shù)十納米范圍內(nèi)的電荷序。這種長程序扮演了超周期庫倫勢的角色，進一步加強上方雙層石墨烯自身的電子關聯(lián)，使得電中性點處的電子-空穴激子配對增強因而在臨界溫度以下打開關聯(lián)帶隙，體現(xiàn)為輸運上可被面內(nèi)電場、垂直電場、溫度、載流子濃度等參數(shù)調(diào)控的量子絕緣體。
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