上海微系统所在晶圆级石墨烯量子整流研究方面取得进展
中国科学院上海微系统与信息技术研究所（以下简称上海微系统所）狄增峰、田子傲研究团队联合上海科技大学寇煦丰团队、南方科技大学卢海舟团队等，在晶圆级低对称性量子材料制备与量子整流研究方面取得重要进展。2026年10月8日，相关成果以《面向集成量子整流器的晶圆级低对称性石墨烯莫尔超晶格》（Wafer-scale low-symmetry graphene moiré superlattice for integrated quantum rectifiers）为题，发表于国际学术期刊《科学》（Science）。
晶体对称性是决定量子材料电子行为的重要因素。通过降低材料对称性，可以激活高对称性体系中原本受到限制的量子输运效应，为新型电子器件提供物理基础。其中，非线性霍尔效应能够在无外加磁场条件下，将纵向交流激励转化为横向直流电压，为无线能量采集和低功耗微电子器件提供新的技术思路。石墨烯具有优异的电学性能，但其高度对称的晶体结构限制了这类效应的产生。如何保证材料质量同时实现可控的材料对称性调控，是推动微观量子现象走向宏观实际应用的关键。
目前，低对称性二维材料体系的构筑主要依赖外场调控、应变工程或复杂的异质堆叠。这些方法往往涉及精细的转角控制和多步转移工艺，容易引入结构缺陷与界面污染，影响器件的一致性和可重复性；额外的外场调控也增加了片上系统集成的复杂度。因此，发展适用于晶圆级制造的低对称性材料制备方法，是实现非线性量子器件规模化集成的重要前提。
针对上述问题，研究团队提出了表面预熔工程技术。将锗（110）衬底加热至接近但低于锗的体熔点，使其表面原子层进入准液体无序状态，同时保持衬底内部的单晶结构。在随后的石墨烯生长与可控冷却过程中，精确调节冷却速率，使准液态锗表面重构为周期约0.56 nm的一维条纹结构，并以此作为模板调控上层石墨烯的晶体对称性。与快速冷却形成的无序表面不同（图1A），较慢的冷却过程为锗表面准液态原子重排提供了充分时间，从而获得热力学上更稳定的条纹相。该条纹结构将石墨烯的对称性由高对称的D6h降低至仅保留单一镜面的C1v，形成低对称石墨烯/锗（110）莫尔超晶格C1v-graphene（图1B）。
图1｜表面预熔工程构筑低对称性石墨烯莫尔超晶格。A，具有无序表面层的Ge(110)衬底上高对称性D₆h石墨烯的结构TEM图像；B，具有有序条纹结构的Ge(110)衬底上低对称性C₁v石墨烯莫尔超晶格的结构TEM图像，锗表面条纹周期约为0.56 nm。标尺：1 nm。
C1v-graphene材料在室温、零磁场条件下表现出显著的非线性霍尔效应（图2A），非线性霍尔电导率达到约11 μm·V⁻¹·Ω⁻¹，较现有材料体系高三个数量级（图2B）。结合第一性原理计算及输运标度分析，揭示出锗能带与石墨烯狄拉克锥发生杂化，在能带反交叉处形成过度倾斜的有质量狄拉克锥，产生强烈且分布不均匀的贝里曲率，进而形成巨大的贝里曲率偶极（图2C），驱动室温下显著的非线性霍尔响应。
图2｜低对称性石墨烯莫尔超晶格的非线性霍尔响应及其物理机制。A，室温、零磁场条件下，低对称性C₁v石墨烯与高对称性D₆h石墨烯的横向二次谐波电压随输入交流电流的变化；B，不同材料体系的归一化非线性霍尔电导率随温度变化关系；C，能带反交叉附近的贝里曲率分布，粉红色箭头表示贝里曲率偶极方向。
基于这一量子输运效应，研究团队采用与CMOS后端集成兼容的工艺，在4英寸C1v-graphene晶圆上制备非线性霍尔整流器阵列，片上金属互连同时用作射频接收天线，实现了整流与天线功能的一体化集成（图3A、B）。在射频信号激励下，采用霍尔电压端串联结构的4×4整流器阵列，在输入功率仅为−16 dBm时即可产生24 mV的直流输出，并成功点亮红色发光二极管（图3C）。在空间微弱无线能量收集与整流能力上，基于量子整流新原理器件较传统半导体结和二极管整流方案具有明显优势（图3D）。该研究贯通了低对称性材料晶圆制备、量子输运机理解析与集成器件验证，为非线性量子器件的规模化制造提供了新的材料平台和技术路径。未来，通过进一步优化射频耦合、阻抗匹配和能量转换效率，有望推动其在自供能微电子器件、无线传感及新型非线性电子与光电子器件中的应用。
图3.｜晶圆级集成量子整流器及无线射频能量收集演示。 A，晶圆级集成量子整流器及无线射频能量收集系统；B，4英寸非线性霍尔整流器阵列；C，整流器与电源管理模块连接后点亮红色发光二极管；D，非线性霍尔整流器件与传统整流方案对比。
本工作的第一完成单位为中国科学院上海微系统与信息技术研究所。上海微系统所谭文昊、上海科技大学刘久铭、南方科技大学龚振昊和上海微系统所洪云雨为论文共同第一作者；南方科技大学卢海舟教授、上海科技大学寇煦丰教授、上海微系统所田子傲研究员和狄增峰研究员为论文共同通讯作者。研究工作获得国家自然科学基金委员会、中国科学院战略性先导科技专项、上海市科学技术委员会等项目支持。
