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研究者通过给石墨烯二维电子气“搭围栏，筑桥梁”，调制空间电流分布，实现了对高载流子迁移率和高开关电压比的兼顾。相关成果发表在相关研究发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），南京航空航天大学林繁荣博士为第一作者，刘衍朋教授、郭万林院士和湖南大学童庆军教授为共同通讯作者。
石墨烯具有极高的载流子迁移率和热导率，丰富的内禀物理性质及外场响应特性，是碳基芯片的重要候选者之一。但零带隙特性严重制约了石墨烯基晶体管的开关比，而目前提高开关比的途径通常以牺牲载流子迁移率为前提。
针对这一窘境，该文利用局部加热石墨烯和多层磷烯异质结引起的形变，构筑平坦和褶皱石墨烯的面内结，对石墨烯面内电流进行人为“改道”，实现关态；并借多层磷烯的表面电荷“重筑电流桥梁”，实现其开态。这种新型晶体管的开关态切换仅需一个底栅电压即可完成，能耗低且可集成，具有极大的应用前景。
受农田灌排渠系启发，局部纳米褶皱引流电子的示意图
利用石墨烯/磷烯极大的晶格错配，研究团队首先通过局部电流退火实现局部强应变梯度及无序结构，与相邻平坦区域形成面内异应力结（如图2b）。通过源漏极施加的电流难以逾越该异应力结势垒，因此电流被集中于平坦石墨烯区域内流动，而在褶皱石墨烯处几乎没有电流，表现为关态。
图2 (a)石墨烯，磷烯的晶体结构示意图；(b)石墨烯晶体管空间结构示意图；(c)褶皱石墨烯(红色)和平坦石墨烯(蓝色)的拉曼吸收谱；(d)褶皱石墨烯(红色)和平坦石墨烯(蓝色)的拉曼半峰宽对比图；(e)褶皱石墨烯(红色)和平坦石墨烯(蓝色)的偏压-微分电导曲线；(f,g)平坦石墨烯的原子结构示意图(f)和电子能带结构图(g); (h,i)褶皱石墨烯的原子结构示意图(h)和电子能带结构图(i).
由于磷烯的静电屏蔽和半导体特性，从低栅施加的静电场会在多层磷烯中催生平行输运的双电层，一部分电流沿着多层磷烯的下表面流动。褶皱区的电极通过该新生通道与平坦石墨烯相连，重筑了电子桥梁，表现为开态（见图3）。
图3 (a）低温下垂直磁场B= -12 T, 0T, 12 T下的电压输出曲线; (b)非均匀电流的霍尔效应；(c)强磁场下输出电压的双栅极调控图；(d)室温下垂直磁场B= -12 T, 0T, 12 T下的电压输出曲线;(e)石墨烯基晶体管载流子迁移率-开关比的对比图。
石墨烯晶体管开关切换示意图
据此方法，研究团队成功实现石墨烯基晶体管的室温开关电压比>103，并保持>8000 cm2 V-1 s-1的载流子迁移率，在高性能电子器件应用及集成领域具有极大潜力。更为重要的是，力-热-电多场耦合对晶格失配异质结体系的调控实现不仅为电子器件性能提升提供了新思路，也为开展固固界面的微纳米力学研究打下了材料基础。
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