【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，南方科技大學(xué)物理系、量子功能材料全國重點實驗室、廣東省拓?fù)湮飸B(tài)重點實驗室、廣東省高等學(xué)校量子科學(xué)基礎(chǔ)研究卓越中心、粵港澳大灣區(qū)(廣東)量子科學(xué)中心盧海舟講席教授團(tuán)隊與合作者在國際頂級學(xué)術(shù)期刊 Science 以“Wafer-scale low-symmetry graphene moiré superlattice for integrated quantum rectifiers”為題發(fā)表研究論文，研究團(tuán)隊利用表面預(yù)熔工程制備出晶圓級石墨烯/鍺(110)莫爾超晶格，在室溫、零磁場條件下獲得顯著的二階非線性霍爾響應(yīng)，并研制出能夠?qū)⑸漕l信號轉(zhuǎn)換為直流電壓的集成整流陣列。盧海舟團(tuán)隊重點開展量子輸運機制分析與第一性原理計算，為揭示強非線性霍爾響應(yīng)的微觀起源提供了理論支撐。
 

　　非線性霍爾效應(yīng)是一種由電子態(tài)量子幾何及散射過程共同影響的電學(xué)響應(yīng)。在適當(dāng)?shù)木w對稱性條件下，材料無需外加磁場，也可將縱向交流激勵轉(zhuǎn)化為橫向直流電壓，為無線能量采集和低功耗電子器件提供新思路。然而，石墨烯本身具有較高的晶體對稱性，相關(guān)非線性響應(yīng)受到限制；如何在保持材料品質(zhì)的同時實現(xiàn)可控制備和大面積對稱性調(diào)控，是推動相關(guān)器件走向集成應(yīng)用的關(guān)鍵。
 

　　針對這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊提出表面預(yù)熔工程方法。通過調(diào)控Ge(110)表面在接近熔點時的原子重排及冷卻過程，形成有序的表面條紋結(jié)構(gòu)，并利用其調(diào)控石墨烯/鍺異質(zhì)結(jié)體系的有效對稱性由D6h降低至C1v，進(jìn)而獲得可在晶圓尺度制備的低對稱性石墨烯莫爾超晶格。實驗表明，該材料在室溫、零磁場條件下展現(xiàn)出顯著的二階非線性霍爾效應(yīng)，其非線性霍爾電導(dǎo)率約為11 μm·V?¹·Ω?¹，較部分已報道材料體系高約三個數(shù)量級。
 

　　在微觀機制方面，研究團(tuán)隊利用第一性原理計算研究了石墨烯與鍺襯底的能帶雜化。結(jié)果顯示，鍺的相關(guān)能帶與石墨烯狄拉克錐相互耦合，在能帶反交叉附近形成過傾斜的有質(zhì)量狄拉克型能帶結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生顯著且分布不均勻的貝里曲率。由此形成的貝里曲率偶極矩(Berry curvature dipole，BCD)為實驗中強二階非線性霍爾響應(yīng)提供了微觀解釋。結(jié)合測得的非線性霍爾電導(dǎo)率與縱向線性電導(dǎo)率之間近似線性的標(biāo)度關(guān)系，研究團(tuán)隊進(jìn)一步識別出BCD機制的主導(dǎo)貢獻(xiàn)。
 

　　上述實驗機制識別基于盧海舟團(tuán)隊此前建立的非線性輸運標(biāo)度理論。該團(tuán)隊在 Science Bulletin 發(fā)表的“Scaling analysis of quantum geometry in second-order nonlinear transport”研究中，將量子幾何與無序散射納入統(tǒng)一的半經(jīng)典輸運框架，系統(tǒng)歸納二階非線性霍爾效應(yīng)的10類微觀機制，建立非線性霍爾電導(dǎo)率與線性縱向電導(dǎo)率之間的多項式標(biāo)度關(guān)系，并提出利用不同機制的“權(quán)重指紋”進(jìn)行區(qū)分的方法。相關(guān)理論為合作研究中的實驗數(shù)據(jù)分析和BCD主導(dǎo)機制識別提供了方法依據(jù)。
 

　　綜上所述，本研究貫通了晶圓級低對稱材料制備、非線性量子輸運機制分析與集成整流器件驗證，為發(fā)展可規(guī)?；苽涞姆蔷€性量子電子器件提供了新的研究路徑。
 

　　上海微系統(tǒng)所譚文昊博士、上海科技大學(xué)劉久銘碩士、南方科技大學(xué)博士生龔振昊和上海微系統(tǒng)所博士生洪云雨為論文共同第一作者，盧海舟、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。南科大為論文通訊單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項及上海市科學(xué)技術(shù)委員會等項目支持。
 

　　引用：Science | 南科大盧海舟團(tuán)隊與合作者在二階非線性輸運理論研究取得進(jìn)展 - 南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)【引用時間：2026年10月15日】