中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張增明教授團(tuán)隊將NV色心與金剛石對頂砧裝置（DAC）相結(jié)合，展示了二維石墨烯器件中電流密度的無損、高分辨率二維成像及其在高壓下的演化，為研究高壓下二維材料和電子器件中的電子輸運和電導(dǎo)變化以及半導(dǎo)體電路的無損評估開辟了一條重要的新途徑。相關(guān)成果以“High Spatial Resolution 2D Imaging of Current Density and Pressure for Graphene Devices under High Pressure Using Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond”為題于4月15日發(fā)表在國際知名期刊Nano Letters上。

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圖.高壓下二維石墨烯-氮化硼器件的電流密度成像及演化

許多二維材料和范德華異質(zhì)結(jié)在高壓下表現(xiàn)出非常豐富的電子性質(zhì)，如范德華量子自旋霍爾（QSH）絕緣體和轉(zhuǎn)角雙層石墨烯（tBLG）中壓力誘導(dǎo)的超導(dǎo)和拓?fù)湎嘧儭⒏粴錃浠�物表現(xiàn)出的高溫超導(dǎo)等。然而，傳統(tǒng)的電阻率測量忽略了關(guān)鍵的空間信息，如邊緣效應(yīng)、雜質(zhì)和缺陷，而這些在許多有趣的物理現(xiàn)象中起著關(guān)鍵作用。電流的直接可視化與傳統(tǒng)的電輸運測量相結(jié)合，可以提高對載流子動力學(xué)的理解。現(xiàn)有的磁流成像技術(shù)（如SQUID）受限于復(fù)雜的實驗條件與有限的空間分辨率，并且難以在高壓下實現(xiàn)。因此，迫切需要發(fā)展一種能夠在高壓下實現(xiàn)二維器件中電流密度的無損、高分辨率成像的實驗技術(shù)與裝置。

NV色心因其高磁場靈敏度及空間分辨率，已經(jīng)在常壓下實現(xiàn)集成電路與二維器件中的二維電流密度成像。此外，NV色心與金剛石對頂砧裝置（DAC）相結(jié)合，可以在高壓下實現(xiàn)高分辨率磁成像。基于此，這項工作進(jìn)一步將NV色心與金剛石對頂砧裝置（DAC）相結(jié)合，在高壓下實現(xiàn)了二維電流密度的無損、高分辨率成像。利用金剛石近表面NV中心層映射的石墨烯中電流產(chǎn)生的二維矢量磁場，可重構(gòu)石墨烯器件中的二維矢量電流密度。電流密度圖像準(zhǔn)確、清晰地再現(xiàn)了高壓下被壓縮石墨烯的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如裂紋、孔洞的產(chǎn)生）和電流流動。此外，提取的高壓下石墨烯器件中的壓力空間分布圖合理地解釋了電流密度的不均勻性，如接觸電阻的差異和厚度不均勻性等。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院博士生仲成、王宇鵬、麥棣為共同第一作者；物理學(xué)院張增明教授、王中平副教授、代如成副教授為共同通訊作者。該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、深空探測實驗室前沿科學(xué)研究計劃等科研項目的支持。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00780