重磅Science，石墨烯再创辉煌！

研究背景

量子材料的电子性质由晶体对称性通过严格的选择定则决定。在高对称晶体中，精确的抵消机制会消除本征反常输运；而低对称材料则会系统性地打破这些限制，释放丰富的贝里曲率物理，使以往被禁止的量子几何响应成为可能。例如，与六方氮化硼对齐的扭转双层石墨烯可将点群由D6h降至C1v，打破反演对称性并激活由贝里曲率驱动的反常输运，而这在本征石墨烯中是被严格禁止的。

目前实现低对称体系的主流途径依赖外场调控和复杂的异质堆叠。例如，扭转石墨烯和二维过渡金属硫族化合物莫尔超晶格往往需要应变工程或垂直电场，才能同时打破反演对称性和C3旋转对称性，进而观测到本征非线性霍尔效应。此类异质结构依赖复杂的转移工艺，容易引入结构缺陷与界面污染，器件重复性大打折扣；

额外外场的需求也使片上集成和器件架构变得更加复杂。另一条思路是利用材料自身的晶体结构实现无需外部刺激的永久性对称性降低，例如纳米管、纳米卷等准一维莫尔超晶格可打破C3旋转对称性，其短路电流密度比体材料高出数个数量级，但将一维材料组装成宏观尺度的均匀阵列极具挑战。因此，晶圆级均匀低对称莫尔超晶格的制备，成为非线性霍尔效应走向实际应用的关键。

成果简介

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所狄增峰研究员、田子傲研究员，上海科技大学寇煦丰教授，南方科技大学卢海舟讲席教授（共同通讯作者）等人，发展了表面预熔化工程，在Ge(110)衬底上实现了晶圆级低对称石墨烯莫尔超晶格的制备，并在室温下获得了高达~11 μm·V?1·Ω?1的非线性霍尔电导率，高于此前报道的各类莫尔体系与体材料在室温下的水平。论文共同第一作者为谭文昊、Jiuming Liu、Zhenhao Gong和Yunyu Hong。

该工作将Ge(110)衬底加热至914°C（比体熔点937°C低约23°C），使表面首层双原子层变得可动而体相仍保持晶态。这一准液态表面层既减少了缺陷形成，又为后续单晶石墨烯生长提供取向引导；随后通过控制冷却速率对准液态表面进行原子尺度的裁剪。分子动力学模拟表明，慢速冷却（70 K/ns）可使体系到达能量最优的条纹相，而快速冷却（700 K/ns）则使其被动力学束缚在非晶结构中。条纹相的周期为0.56 nm，它将石墨烯的对称性由D6h降至C1v；扫描隧道显微镜进一步观测到石墨烯扶手椅方向与条纹严格对齐，并出现周期约1.4 nm的六角莫尔超晶格，偏振二次谐波强度图样直接证实了对称性降低，拉曼光谱、选区电子衍射等表征则进一步确认了晶圆尺度上的材料质量。

输运测量显示，低对称石墨烯呈现2π周期的反常平面霍尔效应，而D6h石墨烯几乎没有信号；室温零磁场下，二次谐波横向电压随输入电流呈二次依赖，整流直流霍尔电压与二次谐波电压之比约为1.4，与理论值√2吻合。标度分析表明，贝里曲率偶极在这一巨大非线性霍尔响应中占据主导。第一性原理计算进一步揭示，其起源是过倾斜能带反交叉：Ge衍生的抛物线能带在费米能级以上23.2 meV处与石墨烯狄拉克锥相交，强层间杂化在交叉处打开微小能隙，形成过倾斜的有质量狄拉克锥（准粒子群速度超过狄拉克速度），成为贝里曲率的发散热点；计算得到的非线性霍尔电导率在该反交叉附近可达64.45 μm·V?1·Ω?1。

基于这一特性，研究团队制备了非线性霍尔整流器，无需外部供电即可将2.4 GHz的Wi-Fi信号整流为稳定的直流电压。借助后端工艺，在4英寸晶圆上集成了由3×3、4×4、5×5整流器阵列构成的整流天线芯片（单芯片尺寸2 cm×1.5 cm）。其中4×4阵列在?16 dBm输入功率下可产生24 mV直流输出，超过驱动商用升压器所需的20 mV阈值，进而在环境条件下点亮LED。该研究为对称破缺莫尔材料的设计和非线性量子器件的规模化制造提供了通用平台，并给出了与互补金属氧化物半导体兼容的晶圆级路线。

寇煦丰，信息学院副教授，目前在学院担任后摩尔器件与集成系统研究中心主任。寇煦丰2009年毕业于浙江大学信息学院（光电系）及竺可桢学院混合班，被授予竺可桢学院特优毕业生荣誉。后于2009年至2015年赴美国加州大学洛杉矶分校电子工程系深造，师从Raytheon讲座教授Kang L. Wang，获得微电子器件方向硕士及博士学位，并被授予UCLA电子工程系杰出博士毕业论文荣誉；之后于2016年2月加入上海科技大学信息科学与技术学院。寇煦丰博士至今共申请了发明专利14项，撰写了3部专著章节，发表了100余篇论文，并且大部分见于国际顶级学术期刊和会议，如Nature Electronics (2), Nature Materials (2), Nature Nanotechnology (2), Nature Communications (4), Science Advances (1), Phys. Rev. Lett. (3), Adv. Mater. (2), Nano Lett. (9), Proc. IEEE (1), IEEE-IEDM (2), IEEE-EDL (1), 总引用8000余次，H因子为41。

此外，他还获得了2012年度美国高通公司Qualcomm Innovation fellowship奖学金，2013年度国家优秀自费留学生奖学金，上海科技大学2017、2020、2022年度优秀教师，2018年度上海市青年五四奖章，2020年中国科学院教育教学成果奖一等奖，2021年上海科技青年35人引领计划，2022年上海高等教育教学成果二等奖，2023年上海浦东首届科技精英，2024年上海东方英才领军项目，并于2016-2017连续两年评选为上海科技大学产业实践优秀导师，2017、2018、2023年当选为上海科技大学书院优秀导师。

目前寇煦丰博士主持和参与了包括上海市青年科技英才扬帆计划(2017-2020)，启明星计划(2021-2024)；科技部国家重点研发计划(4项，2017-2021, 2022-2025，2024-2027)，中国科学院战略性先导科技专项(2018-2024)，国家自然科学基金委员会重点培育计划(2022-2024)，面上项目(2019-2022)，国家重点实验室项目 (2022-2024，2022-2027)，以及Merck POC Program(2020-2021)在内的多项科研项目以及上海高校本科重点教改项目(2020)；课题组与清华大学、复旦大学、中国科学与技术大学、中科院微系统所/技物所/半导体所、Stanford University, UCLA, NIST, Oxford University, University of Tokyo等多个科研院所保持长期科研合作和学生交流；课题组学生多次荣获国家奖学金，上海市优秀毕业生等荣誉。

卢海舟，2007年博士毕业于清华大学高等研究院，导师朱邦芬院士。2007-2015年在香港大学沈顺清教授研究组做博士后和研究助理教授。2015年加入南方科技大学，历任副教授、教授、讲席教授。主讲量子力学、量子输运理论等课程，教育部国家一流本科课程“量子力学”负责人。主要从事凝聚态物理的研究，利用量子场论方法研究拓扑物质等新材料中的物相和电子输运，为下一代电子器件提供原型理论，多个理论工作被实验支持和广泛应用，包括发现了三维量子霍尔效应的新机制，为三十年的探索开辟了新路。

在美国物理学会《物理评论快报》等期刊发表了100余篇论文(详见http://www.researcherid.com/rid/F-2671-2011)，入选美国物理学会 Outstanding Referee。承担过国家自然科学基金，科技部等多个科研项目。2019年获得国家杰出青年科学基金，2020年深圳自然科学一等奖，2021年全球华人物理和天文学会亚洲成就奖，2024 年获第六届“科学探索奖”，2022-2027科技部国家重点研发项目首席。目前担任广东省物理学会副理事长，中国物理学会凝聚态理论与统计物理分会委员。长期为各种物理学期刊审稿，担任中科院NSR，英国物理学会JPCM等期刊编委。政协第13届广东省委员。

田子傲，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，博士生导师。在复旦大学取得博士学位，2018年加入中国科学院上海微系统与信息技术研究所。?从事二维材料的生长及器件的研究工作，主要研究方向为石墨烯、过渡金属氧化物及其合金材料的晶圆制备，后端兼容二维半导体器件工艺研究。在Nature ，Nature electronics ，Nature communications ，等期刊发表了SCI论文50余篇，申请发明专利10余件。主持国家优秀青年基金、重点研发计划课题、上海市科技启明星等项目。

狄增峰，研究员，博士生导师。2001年毕业于南京大学基础学科教学强化部，2006年在中国科学院上海微系统与信息技术研究所微电子与固体电子学专业获得博士学位，其中2004年3月至2005年9月在香港城市大学物理与材料科学系进行联合培养。2006年至2010年在美国能源部Los Alamos国家实验室从事博士后研究工作。2010年9月作为海外杰出人才引进，被中国科学院上海微系统与信息技术研究所聘为研究员。

致力于SOI材料、器件与电路研究，发展超薄SOI材料制造新方法，在国内研制出第一批8英寸应变SOI晶圆片，探索二维SOI材料，国际上首次在半导体锗衬底上实现大面积石墨烯生长，研制成功二维sGrOI晶圆和二维集成电路芯片。以通讯/第一作者身份在Nature、 Nat. Electron、Sci. Adv.、Nat. Commun.?等国际期刊发表论文90余篇。授权国际发明专利6件，授权国内发明专利100余件。先后获得中国青年科技奖、上海市自然科学一等奖、上海市青年科技杰出贡献奖等。

图注说明

图1 低对称C1v石墨烯莫尔超晶格晶圆。(A) 非晶亚表面重构的Ge(110)衬底上D6h石墨烯的示意图（上）与截面透射电镜图（下）；(B) 条纹相重构的Ge(110)表面上C1v石墨烯的示意图（上）与截面透射电镜图（下），Ge(110)表面的条纹周期为0.56 nm；(C) 石墨烯/Ge(110)异质结构从1000 K冷却至300 K的分子动力学模拟，插图为高冷却速率（700 K/ns）与低冷却速率（70 K/ns）下最终构型的俯视图；(D) Ge(110)表面沿[?110]方向一维Ge原子链（条纹相）的扫描隧道显微镜形貌图，周期0.56 nm；(E) 覆盖在Ge(110)上的石墨烯的形貌图；(F) 具有六角拓扑的莫尔超晶格形貌图；(G)–(I) 依次为具有p2mg对称性的Ge(110)条纹相、独立单层石墨烯（D6h）以及C1v石墨烯莫尔超晶格的结构示意图，红色虚线为垂直镜面。

图2 低对称C1v石墨烯莫尔超晶格的磁输运与电输运性质。(A) 霍尔条器件的结构示意图；(B) 2 K、面内旋转磁场8 T下的反常平面霍尔效应角度依赖测量，C1v石墨烯（红色圆圈）与D6h石墨烯（灰线）对比，2π周期的cos(φ)行为反映了反演对称性破缺，φ为磁场与镜面的夹角；(C) 条纹相取向相差45.3°的两个器件的反常平面霍尔测量，角度偏移约47°；(D) 300 K、零磁场下的非线性霍尔测量，给出二次谐波电压随输入交流电流的变化，C1v石墨烯与D6h石墨烯对比；(E) 非线性霍尔响应的角度依赖测量，电流从与镜面夹角为θ的电极注入；(F) 整流直流霍尔电压与二次谐波电压随输入电流的变化，插图显示二者之比不随电流改变；(G) 2.4 GHz Wi-Fi频段下，整流直流霍尔电压随有效入射射频功率的变化；(H) 不同材料体系二阶非线性霍尔电导率随温度变化的比较；(I) 非线性霍尔电导率与线性电导率的标度关系。

图3 由杂化Ge能带与无质量石墨烯狄拉克锥形成的过倾斜有质量狄拉克锥所产生的巨大非线性霍尔电导率的计算。(A) 沿Γ-Q-Y方向的轨道投影能带结构，颜色表示石墨烯（蓝）与Ge（红）的轨道权重，箭头标出费米能级附近杂化诱导的能带反交叉；(B) 能带反交叉的放大图，显示杂化诱导的微小能隙；(C) Ge能带与石墨烯狄拉克锥杂化形成过倾斜反交叉的示意图；(D) 将过倾斜反交叉描述为二维倾斜有质量狄拉克锥；(E) 化学势为23.2 meV时贝里曲率在kx-ky平面的分布，过倾斜有质量狄拉克锥附近出现发散热点，洋红色箭头示意贝里曲率偶极；(F) 零温下由贝里曲率偶极诱导的二阶非线性霍尔电导率随化学势的变化；(G) 化学势为0时，计算得到的非线性霍尔电导率随温度的变化。

图4 用于低功率射频能量收集的整流天线。(A) 集成射频能量收集模块的示意图，由串联霍尔探针构型的4×4非线性霍尔整流器阵列与商用电源管理模块耦合而成，用于环境Wi-Fi能量收集，整体作为整流天线；(B) 整流天线晶圆与结构，自左至右依次为含整流天线芯片的4英寸晶圆照片、多尺度整流天线（2×2、3×3、4×4和5×5）的光学图像，以及单个整流器的伪彩扫描电镜图，插图为通孔接触的截面示意图；(C) 3×3、4×4和5×5整流器阵列的整流电压随输入功率的变化，虚线为驱动升压器的阈值；(D) 4×4整流器阵列与其他整流方案的整流电压密度随输入功率的变化比较；(E) 射频-直流模块照片，其中一个整流天线芯片已完成引线键合；(F) 在射频辐射下，利用该整流天线点亮LED的演示。

总结展望

该工作证明，表面预熔化工程是一种可扩展的晶圆级低对称石墨烯莫尔超晶格制备平台，所得材料具有巨大的非线性霍尔效应。第一性原理计算表明，这一优异响应源于能带反交叉处过倾斜的有质量狄拉克锥，Ge与石墨烯的杂化在此产生了发散的贝里曲率热点。以与互补金属氧化物半导体兼容的工艺制备的非线性霍尔整流器，可将2.4 GHz的Wi-Fi能量转换为稳定的直流电压，并通过4×4整流天线阵列驱动商用升压器点亮LED。

这一低对称莫尔平台有望为未来自供电微电子器件提供收集环境无线能量的实用方案，也为探索丰富的非线性现象、发展新型非线性电子、光子与光电子器件开辟了道路。需要指出的是，该工作展示的是整流器单位面积的电压产生能力，其功率效率的进一步提升还需综合考虑射频耦合、阻抗匹配等因素。

文献链接

DOI：https://doi.org/10.1126/science.aeh3915

信息来源：碳谷

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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??重磅征稿｜2026 中国国际石墨烯创新大会论文征集通知

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