Nature: 石墨烯晶体管，刷新世界纪录！

米测MeLab

2025-09-22

一．迁移率：电子的“车速”

近日，英国曼彻斯特大学的研究团队在 Nature 发表最新成果：他们通过一种叫“邻近栅极”的新设计，让石墨烯晶体管的电子迁移率达到10⁸ cm²/V·s，这是目前世界上已知的最高纪录，比长期保持领先的 GaAlAs 半导体材料还要快上一倍。

图1: 近邻屏蔽对电荷均匀性的深远影响

什么是迁移率？如果把电子比作高速公路上的汽车，迁移率就是“车速”。迁移率越高，电子就能更快、更顺畅地流动：

• 芯片更快、更省电：高迁移率意味着运算速度更快、能耗更低；

• 通信更稳：有助于未来 6G 和量子通信；

• 传感器更灵敏：可捕捉医学检测、环境监测中的微弱信号；

• 新能源更高效：对光电器件、电池等也有潜在帮助。

换句话说，迁移率的纪录提升，不仅是科研人员的“里程碑”，也可能在未来渗透到普通人的生活，让电子设备更快、更凉爽、更节能。

二．晶体管迁移率的发展历程

在二维电子材料的历史中，GaAlAs 异质结曾经是长期的“冠军”，而石墨烯起步虽晚，却实现了跨越式追赶。下面这张图展示了它们的发展历程：

图2：GaAlAs 与石墨烯电子器件迁移率的发展

在过去近半个世纪里，GaAlAs 异质结通过分子束外延（MBE）技术和工艺优化，不断刷新迁移率纪录，最高达到 5.7×10⁷ cm²/V·s，并长期作为量子输运研究的黄金标准。石墨烯的轨迹则像“三次飞跃”：氧化硅衬底 (~10⁴ cm²/V·s)；悬浮石墨烯 (~10⁵ cm²/V·s)；六方氮化硼封装 (~10⁶ cm²/V·s)。它甚至在室温条件下保持着所有已知材料中最高的迁移率（>1.5×10⁵ cm²/V·s），但在低温下，长期受限于边界散射和电荷不均匀性，始终难以超越 GaAlAs。

三．邻近栅极的突破

图3: 近邻屏蔽石墨烯中的弹道输运

图4: 毫特斯拉磁场中的量子化现象

最新研究的关键在于邻近栅极。研究人员在石墨烯沟道材料下方引入石墨片栅极，并用约 1 nm 厚的六方氮化硼绝缘层隔离。邻近栅极产生强静电屏蔽使电荷不均匀性从 ~10⁹ cm⁻² 降低至 ~3×10⁷ cm⁻²，电势涨落压缩至 <1 meV，接近理想极限。这让石墨烯的量子迁移率首次达到10⁷ cm²/V·s，比 GaAlAs 高一个数量级；输运迁移率则突破 10⁸ cm²/V·s，正式完成“超车”。

四．意义与展望

图5: 近邻栅极器件中的分数量子霍尔效应

这一成果不仅刷新了晶体管迁移率的世界纪录，也意味着：

• 石墨烯正式取代 GaAlAs，成为二维电子体系的“新标杆”；

• 邻近栅极为调控电子相互作用提供了新工具，可探索多层石墨烯、超晶格及新型二维半导体中降低无序背景下的全新量子现象；

• 对未来芯片、传感器和信息技术发展具有潜在深远影响。

在这项工作中，中国青年学者吴泽飞副研究员负责了高质量邻近栅极器件的构建与制备工作，Daniil Domaretskiy副研究员与 Alexey I. Berdyugin副研究员（现任新加坡国立大学助理教授）则在迁移率的电输运表征方面做出了重要贡献，三人与导师Andre Geim 教授共同担任通讯作者。

文章链接：

Proximity screening greatly enhances electronic quality of graphene

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09386-0