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研究背景

過渡金屬二硫化物（TMDs）是具有潛在高遷移率和強自旋-軌道耦合的半導體材料，因其在低溫下的優(yōu)異電子特性而成為研究熱點。然而，創(chuàng)建穩(wěn)健的歐姆接觸以實現(xiàn)低溫下的有效電流傳輸仍然是一個重大挑戰(zhàn)。這一問題限制了在接近量子極限時探測電子關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，尤其是分數(shù)量子霍爾（FQH）態(tài)的研究。

成果簡介

為了解決這一挑戰(zhàn)，遼寧材料實驗室/山西大學韓拯團隊、張靖；北京大學路建明、香港科技大學王寧以及哥倫比亞大學Nicolas Regnault等多家單位攜手在Nature Electronics期刊上發(fā)表了題為“Fractional quantum Hall phases in high-mobility n-type molybdenum disulfide transistors”的最新論文。研究人員采用了窗口接觸技術(shù)，成功為n型二硫化鉬（MoS?）創(chuàng)建了有效的歐姆接觸，溫度范圍從毫開爾文到300K。

本文通過這種方法，研究者觀察到了超過100,000 cm2 V?1 s?1的場效應(yīng)遷移率和超過3,000 cm2 V?1 s?1的量子遷移率，這在低溫下為探測FQH態(tài)提供了必要條件。此外，在高達34 T的強磁場下，研究團隊還在雙層MoS?中探測到了填充分數(shù)為4/5和2/5的FQH態(tài)。

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值得注意的是，不久前，韓拯教授課題組與中國科學院金屬研究所李秀艷課題組、遼寧材料實驗室王漢文課題組、中山大學侯仰龍課題組、中國科學院大學周武課題組等合作，提出了一種全新的基于界面耦合（理論表明量子效應(yīng)在其中起到關(guān)鍵作用）的p-摻雜二維半導體方法。該研究成果以“Van der Waals polarity-engineered 3D integration of 2D complementary logic”為題，于5月29日在國際頂級學術(shù)期刊Nature在線發(fā)表，引起了不小的關(guān)注。

研究亮點

（1）實驗首次通過窗口接觸技術(shù)成功為n型二硫化鉬（MoS?）創(chuàng)建了穩(wěn)健的歐姆接觸，溫度范圍從毫開爾文到300K。通過這一技術(shù)，研究團隊觀察到在低溫下的場效應(yīng)遷移率超過100,000 cm2 V?1 s?1，量子遷移率超過3,000 cm2 V?1 s?1。

（2）實驗通過高達34 T的強磁場和300 mK的低溫條件，對雙層MoS?進行了電傳輸測量，成功探測到分數(shù)量子霍爾態(tài)，具體填充分數(shù)為4/5和2/5。這些結(jié)果表明，在最低蘭道能級中實現(xiàn)了可觀察的分數(shù)量子化現(xiàn)象，為探索TMD材料中電子相互作用的機制提供了新的實驗依據(jù)。

圖文解讀

圖1: 窗口接觸MoS2晶體管的特性。

圖2: 在單粒子體系中，雙層MoS2的電輸運。

圖3: 在導帶最低朗道能級Landau levels，LL中，雙層MoS的分數(shù)量子霍爾fractional quantum Hall，F(xiàn)QH態(tài)。

圖4: 篩分效應(yīng)的數(shù)值研究。

結(jié)論展望

本文的研究展示了低載流子密度雙層MoS?中實現(xiàn)高遷移率歐姆接觸的潛力，尤其是在極低溫和強磁場下的電傳輸特性。這一發(fā)現(xiàn)為拓撲量子霍爾相的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，尤其是在實現(xiàn)分數(shù)量子化霍爾效應(yīng)方面。

研究表明，通過優(yōu)化設(shè)備的制造技術(shù)，能夠獲得超高的場效應(yīng)遷移率和量子遷移率，這將推動TMD材料在電子學和量子計算領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，使用范德華層狀材料的創(chuàng)新方法，增強了對電子相互作用和量子態(tài)的調(diào)控能力，這為進一步探索層間耦合、庫侖拖曳和低溫高電子遷移率晶體管提供了新思路。

這些成果不僅促進了對TMD異質(zhì)結(jié)構(gòu)的低密度傳輸實驗的理解，還有助于開發(fā)新型的量子器件，從而推動下一代電子器件的研究與應(yīng)用。因此，本研究為材料科學、量子物理及其實際應(yīng)用提供了重要的科學啟迪，指引了未來相關(guān)領(lǐng)域的研究方向。

文獻信息

Zhao, S., Huang, J., Crépel, V. et al. Fractional quantum Hall phases in high-mobility n-type molybdenum disulfide transistors. Nat Electron (2024).

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