降低量子材料晶体对称性，可激活高对称性体系中受限的量子输运效应。其中，非线性霍尔效应可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、低功耗微电子器件研发提供新的技术思路。近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所等科研团队，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进展。团队提出表面预熔工程技术，将锗（110）衬底进行近块体熔点加热，在保留内部单晶结构的同时使其表面原子层形成准液体无序状态。通过精准调控冷却速率，使准液态锗表面重构出周期约0.56nm的一维条纹结构，并以此为模板调控上层石墨烯的晶体对称性，将其对称性由D6h降至C1v，构筑出低对称石墨烯/锗（110）莫尔超晶格C1v-graphene。该材料在室温、零磁场条件下表现出明显的非线性霍尔效应，其非线性霍尔电导率较现有材料体系高三个数量级。第一性原理计算及输运标度分析表明，锗能带与石墨烯狄拉克锥发生杂化，形成过度倾斜的有质量狄拉克锥，产生强烈且非均匀的贝里曲率，进而形成巨大的贝里曲率偶极，驱动室温下明显的非线性霍尔响应。团队基于该量子输运效应，采用与互补金属氧化物半导体（CMOS）后端集成兼容工艺，在4英寸C1v-graphene晶圆上制备出整流与天线一体化集成的非线性霍尔整流器阵列。该器件可在低射频输入功率下实现有效直流输出，完成光能点亮演示，在空间微弱无线能量收集与整流能力上，明显优于传统半导体结和二极管整流方案。研究贯通了低对称性材料晶圆制备、量子输运机理解析、集成器件验证全研发链条，为非线性量子器件的规模化制造提供了新的材料平台与技术路径。未来，通过进一步优化射频耦合、阻抗匹配和能量转换效率，该技术有望应用于自供能微电子器件、无线传感及新型非线性电子与光电子器件。相关研究成果已发表在《科学》（Science）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院等的支持。论文链接表面预熔工程构筑低对称性石墨烯莫尔超晶格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晶圆级集成量子整流器及无线射频能量收集演示