量子霍爾效應（QHE）作為凝聚態物理中的經典現象，其拓撲保護的邊緣態在精密測量和量子計算中具有重要價值。近年來，石墨烯因其獨特的狄拉克錐能帶結構成為研究QHE的理想平臺。然而，界面耦合對QHE的調控機制仍存在諸多未解之謎。本研究通過構建石墨烯與反鐵磁絕緣體CrOCl的異質結，并基于ECOPIA霍爾效應測試儀HMS-3000的高精度電學表征系統，首次觀測到一種全新的量子霍爾相。

石墨烯-CrOCl異質結的獨特性質

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圖1 CrOCl支撐石墨烯的表征

研究采用干法轉移技術制備了h-BN/石墨烯/CrOCl異質結構（圖1c-d）。電學表征發現，與傳統h-BN封裝石墨烯相比（圖1a藍色曲線），CrOCl接觸導致石墨烯的狄拉克峰完全消失（紅色曲線），表明界面耦合顯著改變了電子結構。雙柵極掃描進一步揭示了三種不同的摻雜區域（圖1e）：空穴摻雜、電子摻雜以及強界面耦合（SIC）相。

新型量子霍爾相的發現

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圖2 量子霍爾（QH）區間的柵極可調SIC效應

通過系統的低溫強磁場輸運測量，研究揭示了石墨烯-CrOCl異質結中兩種截然不同的量子霍爾相。在14 T磁場和3 K條件下，空穴摻雜側（n???= -3.8×1012 cm?2）表現出典型的傳統QHE特征（圖2a）：清晰的朗道能級扇形分布，橫向電阻R??呈現ν=-2,-6,-10等完整的量子化平臺序列，且有效位移場D???對朗道能級影響微弱，完美符合單層石墨烯狄拉克費米子的預期行為。而在電子摻雜側（n??? = +1.8×1012 cm?2），量子霍爾行為展現出革命性的變化（圖2c）。朗道能級分布從扇形突變為級聯狀，ν=±2平臺占據主導地位，其量子化區域可擴展至D???變化超過2V/nm的寬范圍。特別值得注意的是，在D???=0.35 V/nm時（圖2e-f），電子側的ν=-2平臺持續占據整個摻雜范圍，與空穴側完整的朗道能級分裂形成鮮明對比。

界面電荷轉移效應

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圖3 石墨烯-CrOCl異質結中SIC-QHE相的特征

深入研究SIC-QHE相的微觀特性（圖3）發現，在重新標定的δD（=D-D???????）參數空間中，ν=±2量子化平臺可延伸至B≈100 mT的超低磁場（圖3a-b）。當δD=-0.08 V/nm時（圖3c），R??=±0.5h/e2的量子化精度高達99%以上，R??在平臺處接近零值，且正反磁場掃描完全重合，排除了量子反常霍爾效應的可能性。溫度依賴性研究（圖3c插圖）更顯示出該體系的卓越穩定性。在δD=-0.15 V/nm條件下，器件S40的量子化特征可保持至80 K，僅需350 mT的臨界磁場，這一溫度遠高于CrOCl的尼爾溫度（13 K），確證了其非磁性的物理起源。通過分析B=-1T時的R??峰位（圖3d紅點），發現δD與√N呈現完美的線性關系（圖3e），符合δD=α√B|N|（α=0.513）的拋物線擬合（圖3f）。這一關鍵結果表明，位移場可直接調控朗道能級的化學勢，而界面耦合誘導的能隙增大效應使得低磁場下的量子化成為可能。

狄拉克錐能帶調控

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圖4 D???-n???空間的QH相圖及相變過程

D???-n???空間的實驗（圖4a）與理論（圖4b）相圖高度吻合。分析表明：

• 石墨烯費米能級與CrOCl界面帶對齊時（圖4e），會形成長程電荷序
• 這種電荷序產生的庫侖勢顯著增強了石墨烯的費米速度（提升3-5倍）
• 在狄拉克點處打開能隙（圖4f）

這種能帶重構使得在極低磁場下就能產生足夠大的回旋能隙，從而解釋了SIC-QHE相的特殊穩定性。

二維材料量子器件新方向

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圖5 不同體系中實現量子化霍爾電導所需的磁場與溫度條件

如圖5所示，本研究實現的SIC-QHE相在性能參數上具有顯著優勢：

• 低磁場需求：量子化霍爾電導在<0.1 T下即可實現，遠低于黑磷（>1 T）和InSe等材料。
• 高溫穩定性：在液氮溫度（80 K）下仍保持量子化，優于多數已知的量子反常霍爾體系。

這項工作首次證明，通過精準的界面工程設計，可以在溫和條件下實現穩定的量子霍爾效應。這為開發實用化的量子器件提供了新思路。

ECOPIA霍爾效應測試儀 HMS-3000

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ECOPIA霍爾效應測試儀HMS-3000是一款專業用于半導體材料電學特性分析的高精度儀器。該儀器可精準測量載流子濃度、遷移率、電阻率及霍爾系數等關鍵參數，這些參數是表征半導體材料電學性能的核心指標。

高精度恒流源（1nA~20mA），適應不同材料的測試需求

六級電流精細分級，最大限度降低誤差，確保測量準確性

低噪聲測量技術：范德堡法則轉換+非接觸式設計，有效抑制儀器噪聲，提升信號純凈度

本研究依托ECOPIA霍爾效應測試儀HMS-3000的精準測量能力，不僅深化了對界面耦合效應的理解，更為量子材料的能帶工程開辟了新途徑。未來研究計劃將這一界面調控策略拓展至其他二維磁性異質結體系，探索更多衍生拓撲態，并評估其在量子電阻標準中的應用潛力。原文出處：《Quantum Hall phase in graphene engineered by interfacial charge coupling》*特別聲明：本公眾號所發布的原創及轉載文章，僅用于學術分享和傳遞行業相關信息。未經授權，不得抄襲、篡改、引用、轉載等侵犯本公眾號相關權益的行為。內容僅供參考，如涉及版權問題，敬請聯系，我們將在第一時間核實并處理。