近日，曼彻斯特大学Andre K. Geim教授、Daniil Domaretskiy教授、吴泽飞副研究员和新加坡国立大学Alexey I. Berdyugin教授合作，通过引入“近邻屏蔽”技术，实现了石墨烯电子质量的跨越式提升。研究团队将石墨烯与石墨栅极之间的六方氮化硼（hBN）介电层厚度降至仅1纳米，利用图像电荷屏蔽效应将电荷不均匀性降低两个数量级，达到3×107 cm−2 ，量子迁移率提升至107 cm2 /V⋅s，首次在低于5毫特斯拉的磁场中观测到完整的量子霍尔平台，甚至在1毫特斯拉下出现舒布尼科夫-德哈斯振荡。 相关论文以“Proximity screening greatly enhances electronic quality of graphene”为题，发表在Nature上。
研究团队首先通过图1展示了近邻屏蔽对电荷均匀性的显著影响。与使用远程石墨栅极的参考器件相比，近邻栅极器件的电阻-载流子密度曲线在电中性点附近窄了约100倍，表明电荷波动被极大抑制。温度依赖性测量进一步显示，在高温下热激发载流子主导展宽，而低温下近邻器件仍保持极高的均匀性，仅在10 K以下出现由金属-绝缘体转变引起的局域化行为。
图1 | 近邻屏蔽对电荷均匀性的深远影响
图2进一步揭示了近邻屏蔽石墨烯中弹道输运的特性。在低载流子密度下，平均自由程接近器件宽度（约9微米），迁移率超过108 cm2 /V⋅s。磁聚焦和弯曲电阻测量直接证实了弹道输运的存在，甚至在电中性点的狄拉克等离子体中也观察到负弯曲电阻，表明其在玻尔兹曼体系中仍保持弹道性。
图2 | 近邻屏蔽石墨烯中的弹道输运
图3展示了在极低磁场（1–5 mT）下出现的朗道量子和量子霍尔效应。舒布尼科夫-德哈斯振荡在1毫特斯拉下清晰可见，量子迁移率超过107 cm2 /V⋅s。霍尔平台在5毫特斯拉下完全形成，其半高宽仅为3×107 cm−2 ，进一步印证了电荷均匀性的提升。
图3 | 毫特斯拉磁场中的量子化现象
尽管近邻屏蔽抑制了长程电子相互作用，图4显示分数量子霍尔态仍在7 T以上磁场中出现，能隙虽相比未屏蔽器件降低了3–5倍，但仍显著高于其他二维系统。理论分析表明，该抑制因子与磁长度 ℓ B 和屏蔽距离 d的比值相符，说明在小于10纳米的尺度上多体效应仍保持强关联。
图4 | 近邻栅极器件中的分数量子霍尔效应
综上所述，该研究不仅为石墨烯器件提供了一条可靠的高质量制备路径，更使得在毫特斯拉磁场中研究量子输运和强关联现象成为可能。未来，近邻屏蔽技术有望应用于石墨烯多层结构、超晶格及其他二维半导体，为探索低无序环境下的新颖量子现象开辟新的方向。