近日，南方科技大学物理系、量子功能材料全国重点实验室、广东省拓扑物态重点实验室、广东省高等学校量子科学基础研究卓越中心、粤港澳大湾区（广东）量子科学中心卢海舟讲席教授团队与合作者在国际顶级学术期刊 Science 以“Wafer-scale low-symmetry graphene moiré superlattice for integrated quantum rectifiers”为题发表研究论文，研究团队利用表面预熔工程制备出晶圆级石墨烯/锗（110）莫尔超晶格，在室温、零磁场条件下获得显著的二阶非线性霍尔响应，并研制出能够将射频信号转换为直流电压的集成整流阵列。卢海舟团队重点开展量子输运机制分析与第一性原理计算，为揭示强非线性霍尔响应的微观起源提供了理论支撑。

非线性霍尔效应是一种由电子态量子几何及散射过程共同影响的电学响应。在适当的晶体对称性条件下，材料无需外加磁场，也可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电子器件提供新思路。然而，石墨烯本身具有较高的晶体对称性，相关非线性响应受到限制；如何在保持材料品质的同时实现可控制备和大面积对称性调控，是推动相关器件走向集成应用的关键。

针对这一挑战，研究团队提出表面预熔工程方法。通过调控Ge(110)表面在接近熔点时的原子重排及冷却过程，形成有序的表面条纹结构，并利用其调控石墨烯/锗异质结体系的有效对称性由D_6h降低至C_1v，进而获得可在晶圆尺度制备的低对称性石墨烯莫尔超晶格。实验表明，该材料在室温、零磁场条件下展现出显著的二阶非线性霍尔效应，其非线性霍尔电导率约为11 μm·V⁻¹·Ω⁻¹，较部分已报道材料体系高约三个数量级。

图1. 低对称性石墨烯/锗莫尔超晶格的非线性霍尔效应测量示意及其与其他材料的温度依赖响应对比

在微观机制方面，研究团队利用第一性原理计算研究了石墨烯与锗衬底的能带杂化。结果显示，锗的相关能带与石墨烯狄拉克锥相互耦合，在能带反交叉附近形成过倾斜的有质量狄拉克型能带结构，并产生显著且分布不均匀的贝里曲率。由此形成的贝里曲率偶极矩（Berry curvature dipole，BCD）为实验中强二阶非线性霍尔响应提供了微观解释。结合测得的非线性霍尔电导率与纵向线性电导率之间近似线性的标度关系，研究团队进一步识别出BCD机制的主导贡献。

图2. 石墨烯/锗杂化能带中的过倾斜能带反交叉、贝里曲率分布及二阶非线性霍尔响应的第一性原理计算结果

上述实验机制识别基于卢海舟团队此前建立的非线性输运标度理论。该团队在 Science Bulletin 发表的“Scaling analysis of quantum geometry in second-order nonlinear transport”研究中，将量子几何与无序散射纳入统一的半经典输运框架，系统归纳二阶非线性霍尔效应的10类微观机制，建立非线性霍尔电导率与线性纵向电导率之间的多项式标度关系，并提出利用不同机制的“权重指纹”进行区分的方法。相关理论为合作研究中的实验数据分析和BCD主导机制识别提供了方法依据。

综上所述，本研究贯通了晶圆级低对称材料制备、非线性量子输运机制分析与集成整流器件验证，为发展可规模化制备的非线性量子电子器件提供了新的研究路径。

上海微系统所谭文昊博士、上海科技大学刘久铭硕士、南方科技大学博士生龚振昊和上海微系统所博士生洪云雨为论文共同第一作者，卢海舟、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。南科大为论文通讯单位。该研究得到了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及上海市科学技术委员会等项目支持。

论文链接：

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

https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.07.062

供稿：物理系

通讯员：祖力米热·热扎克

编辑：曾昱雯