我国在晶圆级石墨烯量子整流研究方面取得重要进展

你是否想过，未来的微型传感器、植入式医疗设备，甚至物联网节点，不再需要频繁更换电池？它们可以从周围的无线电波中“汲取”能量，实现永久续航。

近日，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，在国际顶尖学术期刊《科学》杂志上发表了一项题为《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》的重要成果。他们用一块“不完美”的石墨烯造出了一块能“隔空收电”的晶圆，在室温、零磁场环境下就能把电磁波转成直流电。

石墨烯，这层只有单个碳原子厚度的“蜂窝状”材料，凭借导电快、导热强、几乎全透明的特性，早已是材料界的“明星”。但很少有人知道，它近乎完美的对称六角晶格，反而成了性能突破的“拦路虎”：石墨烯过于规整的原子排列，让电子在运动时根本无法形成定向的非线性横向电流。

在凝聚态物理中，材料的晶体对称性直接决定电子的行为方式，石墨烯这种D₆h级别的超高对称结构，恰好完全抑制了极具应用价值的非线性霍尔效应的产生。过去科学家想打破这种对称，要么靠外加特殊电场磁场，要么给材料施加精准应变，或是把几层材料像搭积木一样堆叠起来。但这些方法都绕不开高精度转角控制、多步转移等复杂工艺，不仅极易引入结构缺陷和界面污染，导致器件一致性差、良率低，额外的外场配套设计也会大幅提升片上系统集成的复杂度与硬件开销。

面对技术瓶颈，这次研究团队创新提出了表面预熔工程技术，将锗（110）单晶衬底加热到临近熔点的温度，让衬底表层原子变为类液态无序状态，同时维持衬底内部完整单晶结构。在石墨烯生长完成之后，科研人员再精确调节冷却速率，让锗表层准液态原子重新排布，形成周期约0.56纳米的一维条纹模板结构。缓慢冷却给原子重排提供充足时间，得到热力学稳定的条纹相，以此模板修饰生长石墨烯，将石墨烯晶体对称性从D₆h高对称体系降低至C₁ᵥ低对称体系，成功制备低对称石墨烯‑锗莫尔超晶格材料C1v-graphene。

表面预熔工程构筑低对称性石墨烯莫尔超晶格（来源：上海微系统所）

实验测试表明，这款全新莫尔超晶格材料，在室温、零磁场环境下展现出了强烈的非线性霍尔效应，非线性霍尔电导率达到约11 μm·V⁻¹·Ω⁻¹，性能比以往报道的材料高出三个数量级。结合第一性原理模拟计算和输运分析，科研人员阐明了背后物理机理：锗的能带与石墨烯狄拉克锥发生能带杂化，在能带交叉位置形成严重倾斜的有质量狄拉克锥，产生强度高且空间分布不均的贝里曲率，生成巨大贝里曲率偶极，最终诱发可观的室温非线性霍尔响应，揭开该量子现象的内在物理本质。

在材料机理突破的基础上，该研究团队面向芯片集成开展器件研发。整套制备工艺兼容传统CMOS后端制造流程，科研人员在4英寸的C1v-graphene晶圆上批量制备非线性霍尔量子整流器阵列。器件巧妙将片上金属互连线同时作为射频接收天线，实现了天线接收与量子整流一体化。在测试中，4×4阵列器件在输入功率低至−16 dBm微弱射频信号条件下，就输出24 mV直流电压，成功点亮红色LED指示灯。对比传统半导体PN结、二极管整流方案，该量子整流器件在微弱空间无线能量收集场景下具备明显优势。

晶圆级集成量子整流器及无线射频能量收集演示（来源：上海微系统所）

从“完美的石墨烯”到“刻意制造不完美”，这项研究的核心突破不在于发现了某种新材料，而在于找到了一种可规模化、可集成的新方法，去驾驭量子材料中那些“难以驯服”的物理效应。该研究完整打通了低对称量子材料晶圆制备、量子输运机理解析、集成功能器件验证的全链条，不仅提供了一种全新低对称二维莫尔超晶格制备手段，也为非线性量子器件的规模化制造搭建了新的材料平台与技术路线。

当一块“不完美”的石墨烯在零磁场下将无线电波转化为电能，未来的物联网传感器、植入式医疗设备，或许真的可以告别电池，从周围的电磁环境中“自给自足”。而这项研究所展示的晶圆级制备路径，则让这个愿景从实验室走向了产线的起点。