中國科學技術大學張增明教授團隊將NV色心與金剛石對頂砧裝置（DAC）相結合，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變化以及半導體電路的無損評估開辟了一條重要的新途徑。相關成果以“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日發表在國際知名期刊Nano Letters上。

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結在高壓下表現出非常豐富的電子性質，如范德華量子自旋霍爾（QSH）絕緣體和轉角雙層石墨烯（tBLG）中壓力誘導的超導和拓撲相變、富氫氫化物表現出的高溫超導等。然而，傳統的電阻率測量忽略了關鍵的空間信息，如邊緣效應、雜質和缺陷，而這些在許多有趣的物理現象中起著關鍵作用。電流的直接可視化與傳統的電輸運測量相結合，可以提高對載流子動力學的理解。現有的磁流成像技術（如SQUID）受限于復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。因此，迫切需要發展一種能夠在高壓下實現二維器件中電流密度的無損、高分辨率成像的實驗技術與裝置。

NV色心因其高磁場靈敏度及空間分辨率，已經在常壓下實現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）相結合，可以在高壓下實現高分辨率磁成像。基于此，這項工作進一步將NV色心與金剛石對頂砧裝置（DAC）相結合，在高壓下實現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生的二維矢量磁場，可重構石墨烯器件中的二維矢量電流密度。電流密度圖像準確、清晰地再現了高壓下被壓縮石墨烯的復雜結構（如裂紋、孔洞的產生）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。

中國科學技術大學物理學院博士生仲成、王宇鵬、麥棣為共同第一作者；物理學院張增明教授、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基金委、深空探測實驗室前沿科學研究計劃等科研項目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00780

（物理學院、科研部）