近日，上海科技大学信息学院寇煦丰团队和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、田子傲研究团队以及南方科技大学卢海舟团队等合作，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。10月9日，相关成果以“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。如何在保持材料质量的同时实现可控的对称性降低，是推动相关量子效应走向器件应用的关键。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914℃，使其表面第一双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，研究团队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，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的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。
作为由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设的高校，上海科技大学与中国科学院研究院所长期保持密切协作，科教融合是学校的重要办学特色。本项研究是协同攻关的集中体现：项目立项阶段，双方共同凝练科学问题；研究实施过程中，上海微系统所团队发挥在晶圆级材料生长及微纳工艺上的长期积累，上科大信息学院团队依托信息学科优势，一体推进，协作完成材料体系构建、器件制备表征与系统集成测试。上海微系统所谭文昊、上海科技大学信息学院刘久铭（2021届本科生、2025届硕士研究生）、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；上海微系统所狄增峰研究员、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教授为论文共同通讯作者。
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。
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