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生玻色凝聚，其量子基态稱為激子絕緣體。半個世紀以來，激子絕緣體在多個實驗體系中被發現，但多為譜學等間接研究。對該關聯絕緣體的電學輸運以及門電壓調控研究尤其缺乏，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強度調控手段較為受限。

近期，beat365官方网站研究人員與山西大學、上海科技大學、香港科技大學、沈陽材料科學國家研究中心、遼甯材料實驗室、日本國立材料研究所等合作，采用的關聯絕緣态路線打破了現有的常規方法，從界面耦合來構建界面長程電荷序，再利用界面态影響石墨烯中的電子關聯。這種協同耦合機制是普适的調控方法，有望在更多二維電子氣體系中發現有趣的物理現象。

研究人員利用幹式堆垛手段，制備了具有雙栅的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态（1.5 K溫度）時，在垂直電場調控下， BLG呈現反常的雙栅調控關系，中性點（charge neutrality point，CNP）發生巨大彎曲（圖1），并且在彎曲後的中性區域中呈現出一種新奇絕緣态，電阻可達1ⅹ10¹⁰ Ohms。這與傳統BN夾持的BLG表現出了巨大的反差。後者雖然也會因垂直電場打開能隙，但隻有CNP附近較窄區域的摻雜才有絕緣态，并且電阻随垂直電場單調增加，最通常為10⁶ Ohms量級。

理論團隊通過計算發現，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态并發生自發對稱破缺，形成波長在數納米至數十納米範圍内的電荷序。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，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帶隙，體現為輸運上可被面内電場、垂直電場、溫度、載流子濃度等參數調控的量子絕緣體。

值得提出的是，基于該關聯絕緣态，類NMOS、PMOS的晶體管均可以通過維持固定的頂栅（或底栅）時，掃描适當的底栅（或頂栅）獲得，并且開關比在10的7次方以上，且具有極強的魯棒性（見圖2）。進一步，研究人員可以采用兩個這樣的CrOCl/BLG/hBN器件，通過圖2c的構型，獲得石墨烯晶體管反相器，在1.5 K溫度、0.2 V輸入電壓下的增益約1.2左右。這使石墨烯在未來電子學應用方面邁出了關鍵一步。

圖1. CrOCl-BLG-氮化硼器件中新奇絕緣态。

圖2. CrOCl-BLG-氮化硼器件的類NMOS、PMOS晶體管與反相器。

該研究研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、山西省“1311”工程、教育部“部省合建”重點高校項目、山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室等支持，發表于《自然-通訊》雜志Nature Communications, 14, 2136 ( 2023)。

原文鍊接： https://www.nature.com/articles/s41467-023-37769-2