近期，穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）用戶遼寧材料實(shí)驗(yàn)室和山西大學(xué)等合作者利用SHMFF所屬水冷磁體WM5，在二硫化鉬的n型半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管低溫歐姆接觸穩(wěn)定可靠制備方面取得了新進(jìn)展，該成果在線發(fā)表于Nature Electronics。

尋找實(shí)現(xiàn)高遷移率二維半導(dǎo)體的方法或材料體系并觀測(cè)其中如量子霍爾態(tài)等物理效應(yīng)，是凝聚態(tài)物理以及納米電子學(xué)的重要研究方向之一。量子霍爾效應(yīng)首次在量子阱二維電子氣中被發(fā)現(xiàn)已逾40年，但可實(shí)現(xiàn)量子霍爾，尤其是分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的二維電子體系依然非常有限。其中，高遷移率二維本征半導(dǎo)體的分?jǐn)?shù)量子霍爾態(tài)在電輸運(yùn)上尤為難以實(shí)現(xiàn)，主要瓶頸在于獲得較低載流子濃度歐姆接觸極具挑戰(zhàn)。

該研究團(tuán)隊(duì)將硫化鉬少層晶體在手套箱中用氮化硼進(jìn)行封裝，其中頂部氮化硼薄層采用預(yù)圖案化的二維微米尺寸窗口進(jìn)行鉍電極熱蒸發(fā)接觸。所得器件在較低載流子濃度即可具有全溫區(qū)（毫開(kāi)爾文至室溫）歐姆接觸和高遷移率。在SHMFF 34 T 水冷磁體下，利用低噪聲極低溫輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，觀測(cè)到填充系數(shù)niu=1的量子極限和?、?填充的分?jǐn)?shù)量子化橫向電導(dǎo)平臺(tái)。這是目前能夠通過(guò)電輸運(yùn)（非拓?fù)淦綆w系）觀測(cè)到分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的首個(gè)二維本征帶隙n型半導(dǎo)體材料。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基于二維半導(dǎo)體的低溫高遷移率電子晶體管（HEMT）、低溫放大器等納米電子學(xué)器件提供了可能方案。

遼寧材料實(shí)驗(yàn)室材料量子調(diào)控技術(shù)研究所趙斯文副研究員、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)黃金強(qiáng)博士、紐約Flatiron研究所Valentin Crépel研究員為論文的共同一作。山西大學(xué)韓拯教授與張靖教授、北京大學(xué)路建明教授、香港科技大學(xué)王寧教授、法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院Nicolas Regnault教授為共同通訊作者。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、遼寧材料實(shí)驗(yàn)室、山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等資助。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01274-1

圖1. 雙層MoS₂最低朗道能級(jí)的分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)