晶體對稱性是決定量子材料電子行為的重要因素。通過降低材料對稱性，可以激活高對稱性體系中原本受到限制的量子輸運效應(yīng)，為新型電子器件提供物理基礎(chǔ)。其中，非線性霍爾效應(yīng)能夠在無外加磁場條件下，將縱向交流激勵轉(zhuǎn)化為橫向直流電壓，為無線能量采集和低功耗微電子器件提供新的技術(shù)思路。石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性能，但其高度對稱的晶體結(jié)構(gòu)限制了這類效應(yīng)的產(chǎn)生。如何保證材料質(zhì)量同時實現(xiàn)可控的材料對稱性調(diào)控，是推動微觀量子現(xiàn)象走向宏觀實際應(yīng)用的關(guān)鍵。
 

　　目前，低對稱性二維材料體系的構(gòu)筑主要依賴外場調(diào)控、應(yīng)變工程或復(fù)雜的異質(zhì)堆疊。這些方法往往涉及精細(xì)的轉(zhuǎn)角控制和多步轉(zhuǎn)移工藝，容易引入結(jié)構(gòu)缺陷與界面污染，影響器件的一致性和可重復(fù)性；額外的外場調(diào)控也增加了片上系統(tǒng)集成的復(fù)雜度。因此，發(fā)展適用于晶圓級制造的低對稱性材料制備方法，是實現(xiàn)非線性量子器件規(guī)?；傻闹匾疤?。
 

　　針對上述問題，研究團(tuán)隊提出了表面預(yù)熔工程技術(shù)。將鍺(110)襯底加熱至接近但低于鍺的體熔點，使其表面原子層進(jìn)入準(zhǔn)液體無序狀態(tài)，同時保持襯底內(nèi)部的單晶結(jié)構(gòu)。在隨后的石墨烯生長與可控冷卻過程中，精確調(diào)節(jié)冷卻速率，使準(zhǔn)液態(tài)鍺表面重構(gòu)為周期約0.56 nm的一維條紋結(jié)構(gòu)，并以此作為模板調(diào)控上層石墨烯的晶體對稱性。與快速冷卻形成的無序表面不同(圖1A)，較慢的冷卻過程為鍺表面準(zhǔn)液態(tài)原子重排提供了充分時間，從而獲得熱力學(xué)上更穩(wěn)定的條紋相。該條紋結(jié)構(gòu)將石墨烯的對稱性由高對稱的D6h降低至僅保留單一鏡面的C1v，形成低對稱石墨烯/鍺(110)莫爾超晶格C1v-graphene。
 

　　C1v-graphene材料在室溫、零磁場條件下表現(xiàn)出顯著的非線性霍爾效應(yīng)(圖2A)，非線性霍爾電導(dǎo)率達(dá)到約11 μm·V?¹·Ω?¹，較現(xiàn)有材料體系高三個數(shù)量級(圖2B)。結(jié)合第一性原理計算及輸運標(biāo)度分析，揭示出鍺能帶與石墨烯狄拉克錐發(fā)生雜化，在能帶反交叉處形成過度傾斜的有質(zhì)量狄拉克錐，產(chǎn)生強(qiáng)烈且分布不均勻的貝里曲率，進(jìn)而形成巨大的貝里曲率偶極(圖2C)，驅(qū)動室溫下顯著的非線性霍爾響應(yīng)。
 

　　基于這一量子輸運效應(yīng)，研究團(tuán)隊采用與CMOS后端集成兼容的工藝，在4英寸C1v-graphene晶圓上制備非線性霍爾整流器陣列，片上金屬互連同時用作射頻接收天線，實現(xiàn)了整流與天線功能的一體化集成(圖3A、B)。在射頻信號激勵下，采用霍爾電壓端串聯(lián)結(jié)構(gòu)的4×4整流器陣列，在輸入功率僅為−16 dBm時即可產(chǎn)生24 mV的直流輸出，并成功點亮紅色發(fā)光二極管(圖3C)。在空間微弱無線能量收集與整流能力上，基于量子整流新原理器件較傳統(tǒng)半導(dǎo)體結(jié)和二極管整流方案具有明顯優(yōu)勢(圖3D)。該研究貫通了低對稱性材料晶圓制備、量子輸運機(jī)理解析與集成器件驗證，為非線性量子器件的規(guī)?；圃焯峁┝诵碌牟牧掀脚_和技術(shù)路徑。未來，通過進(jìn)一步優(yōu)化射頻耦合、阻抗匹配和能量轉(zhuǎn)換效率，有望推動其在自供能微電子器件、無線傳感及新型非線性電子與光電子器件中的應(yīng)用。
 

　　本工作的第一完成單位為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所。上海微系統(tǒng)所譚文昊、上?？萍即髮W(xué)劉久銘、南方科技大學(xué)龔振昊和上海微系統(tǒng)所洪云雨為論文共同第一作者；南方科技大學(xué)盧海舟教授、上海科技大學(xué)寇煦豐教授、上海微系統(tǒng)所田子傲研究員和狄增峰研究員為論文共同通訊作者。研究工作獲得國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、上海市科學(xué)技術(shù)委員會等項目支持。
 

　　引用：上海微系統(tǒng)所在晶圓級石墨烯量子整流研究方面取得進(jìn)展----中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所【引用時間：2026年10月10日】