寻找实现高迁移率二维半导体的方法或材料体系，并观测其中如量子霍尔态等物理效应，是凝聚态物理以及纳米电子学的重要研究方向之一。量子霍尔效应首次在量子阱二维电子气中被发现已逾40年，但可实现量子霍尔，尤其是分数量子霍尔效应的二维电子体系依然非常有限。其中，高迁移率二维本征半导体的分数量子霍尔态在电输运上尤为难以实现，主要瓶颈在于获得较低载流子浓度欧姆接触极具挑战。

  辽宁材料实验室研究人员近期在二硫化钼的n型半导体场效应晶体管低温欧姆接触稳定可靠制备上取得了重要进展，研究成果以“Fractional quantum Hall phases in high-mobility n-type molybdenum disulfide transistors”为题于2024年10月30日在Nature Electronics杂志在线发表。研究人员将硫化钼少层晶体用氮化硼进行封装，其中顶部氮化硼薄层采用预图案化的二维微米尺寸窗口进行铋电极热蒸发接触。所得器件在较低载流子浓度即可具有全温区（毫开尔文至室温）欧姆接触和高迁移率（图1）。在毫开尔文温度、强磁场下观测到填充系数niu=1的量子极限和⅖、⅘填充的分数量子化横向电导平台。这是目前能够通过电输运（非拓扑平带体系）观测到分数量子霍尔效应的首个二维本征带隙n型半导体材料。该实验结果为基于二维半导体的低温高迁移率电子晶体管（HEMT）、低温放大器等纳米电子学器件提供了可能方案。

  本研究在辽宁材料实验室与山西大学主导下，由法国巴黎高等师范学院、北京大学、香港科技大学、纽约Flatiron研究所等国内外多个实验与理论团队合作完成，并得到了中国科学院合肥强磁场科学中心、怀柔综合极端条件实验装置等大科学装置的支持。辽宁材料实验室材料量子调控技术研究所赵斯文副研究员、中国科学技术大学黄金强博士、纽约Flatiron研究所Valentin Crépel研究员为论文的共同第一作者。研究得到国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金（“第二代量子材料的构筑与操控”重大研究计划重点项目、面上项目、青年项目）、辽宁材料实验室、山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室等资助。

  原文链接  https://www.nature.com/articles/s41928-024-01274-1

图1. 高迁移率硫化钼二维半导体晶体管及其在34 特斯拉磁场、0.3 K温度下的分数量子霍尔效应。