大角度扭转石墨烯中可调库仑屏蔽实现毫特斯拉量级量子化的突破性研究

本研究通过构建大角度扭转双层/三层石墨烯(LATBG/LATTG)异质结构，利用石墨烯层间亚纳米间距的强库仑屏蔽效应，将电荷不均匀性降至3×108cm-2，首次在5-6毫特斯拉超低磁场下观测到朗道量子化，并解析出狄拉克点处5 meV能隙。该工作为探索超纯二维材料体系中的量子现象提供了新范式。

　　

在二维材料研究领域，石墨烯因其独特的狄拉克锥能带结构长期被视为理想量子材料平台。然而实际器件中，封装材料六方氮化硼(hBN)内部的带电缺陷会导致电荷波动（电子-空穴丘），即使在最先进的hBN封装器件中，电荷不均匀性仍达5×10⁹cm^-2，严重限制低温量子效应的观测。传统解决方案如悬浮石墨烯虽可将不均匀性降至4×10⁸cm^-2，但难以构建双栅或多层结构。这一瓶颈使得石墨烯在毫特斯拉量级磁场下的量子输运研究长期停滞，其性能始终落后于砷化镓二维电子气(2DEG)体系。

来自曼彻斯特大学的研究团队创新性地提出"以石墨烯封装石墨烯"的策略，通过精确控制层间扭转角度(10-30°)实现电子解耦，同时保持亚纳米级范德华间隙。当对封装层进行掺杂时，其高态密度(DoS)产生强库仑屏蔽效应，将测试层的电荷不均匀性降至3×10⁸cm^-2，相当于能量分辨率达0.5 meV。这项突破性成果以《Milli-Tesla quantization enabled by tuneable Coulomb screening in large-angle twisted graphene》为题发表于《Nature Communications》。

关键技术包括：1) 机械剥离法制备大角度扭转石墨烯异质结构；2) 金顶栅/石墨底栅双栅极调控技术；3) 2K低温输运测量系统；4) 托马斯-费米模型理论计算。通过霍尔棒器件实现载流子密度n_tot和位移场D的独立调控，建立静电模型解析各层电荷中性点(CNP)。

【大角度扭转双层石墨烯表征】

研究团队首先构建扭转角θ≈20°的LATBG器件，在零位移场(D=0 V/nm)下测得迁移率μ_e=0.5×10⁶cm²/Vs，与常规hBN封装器件相当。施加D=0.5 V/nm后，能带结构显示双层狄拉克锥能量分离，电阻振荡特征对应单层CNP位置。值得注意的是，当D=0.6 V/nm时，朗道能级(LL)在5-6 mT超低磁场下即清晰可辨，量子迁移率达(1.5-2)×10⁶cm²V^-1s^-1。

【狄拉克点能隙解析】

通过高分辨朗道扇形图分析，发现狄拉克点处存在Δ_g=5±1 meV能隙，表现为双电阻峰特征。理论模拟表明该能隙需引入能谷解耦假设才能复现实验数据。与悬浮石墨烯中观察到的费米速度重整化不同，此能隙不随温度或D变化，排除了莫特绝缘体相变的可能，暗示其可能源于扭转诱导的能带重构。

【三层全封装结构验证】

进一步构建的LATTG器件中，中间石墨烯层被上下两层石墨烯完全封装。在B=50 mT磁场下可同时分辨三层独立的朗道能级，其中底层呈现与LATBG相同的双峰能隙特征。磁输运测量显示量子振荡起始磁场进一步降至5-7 mT，且能级分辨率显著提高，单层可观测20-30个朗道能级。

这项研究通过创新性的"石墨烯封装石墨烯"策略，将二维材料器件的电子品质提升至全新高度。实验观测到的5-6 mT量子化起始磁场不仅超越所有已报道的石墨烯器件，甚至优于最佳砷化镓二维电子气体系。狄拉克点处5 meV能隙的发现为探索扭转角调控的电子关联效应开辟了新途径。该方法可推广至其他二维材料体系，为制备超纯量子器件提供了普适性方案，对拓扑量子计算、低功耗电子器件等领域具有重要启示意义。特别值得注意的是，该工作实现的μ_q≈2×10⁶cm²V^-1s^-1量子迁移率，标志着石墨烯器件性能首次全面超越传统半导体体系。