英文原题：High Spatial Resolution 2D Imaging of Current Density and Pressure for Graphene Devices under High Pressure Using Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond
通讯作者：张增明，王中平，代如成，中国科学技术大学
作者： Cheng Zhong（仲成）, Yupeng Wang（王宇鹏）, Di Mai（麦棣）, Chunhui Ye（叶春晖）, Xiangdong Li（李相东）, He Wang（王鹤）, Rucheng Dai（代如成）, Zhongping Wang（王中平）, Xiaoyu Sun（孙晓宇）, and Zengming Zhang（张增明）
背景介绍
许多二维材料和范德华异质结在高压下表现出非常丰富的电子性质，如范德华量子自旋霍尔（QSH）绝缘体和转角双层石墨烯（tBLG）中压力诱导的超导和拓扑相变、富氢化合物表现出的高温超导等。然而，传统的电阻率测量忽略了关键的空间信息，如边缘效应、杂质和缺陷，而这些信息在许多物理现象中起着关键作用。电流的直接可视化与传统的电输运测量相结合，可以提高对载流子动力学的理解。现有的磁流成像技术（如 SQUID）受限于复杂的实验条件与有限的空间分辨率，并且难以在高压下实现。因此，迫切需要发展一种能够在高压下实现二维器件中电流密度的无损、高分辨率成像的实验技术与装置。NV色心因其高磁场灵敏度及空间分辨率，已经在常压下实现集成电路与二维器件中的二维电流密度成像。此外，NV色心与金刚石对顶砧装置（DAC）相结合，可以在高压下实现高分辨率磁成像。基于此，这项工作进一步将NV色心与金刚石对顶砧装置（DAC）相结合，在高压下实现了二维电流密度的无损、高分辨率成像。
文章亮点
近日，中国科学技术大学张增明团队在Nano Letters上发表了基于NV色心与金刚石对顶砧装置（DAC）在高压下实现二维石墨烯器件电流密度和压力分布的高分辨率成像的研究。研究团队将NV色心与金刚石对顶砧装置（DAC）相结合，实现了高压下二维石墨烯器件的电流密度及压力分布的高分辨率成像，并通过电流密度图像准确、清晰地再现了高压下被压缩石墨烯的复杂结构（如裂纹、孔洞的产生）和电流流动。
图1. 高压下电流密度测量系统示意图
研究人员在金刚石对顶砧装置的其中一个金刚石砧面表层制备NV色心层，并用高分辨率相机采集NV色心信号得到通入石墨烯器件电流产生的二维矢量磁场分布（图1）。利用NV色心层映射的二维矢量磁场来重构出石墨烯器件中的二维矢量电流密度图像。
图2. 高压下被压缩石墨烯条带的光学显微镜图像和电流密度分布的演化
研究人员首先实现了简单石墨烯条带的高压电流密度分布及演化（图2）。在压缩过程中，石墨烯条带的结构逐渐发生变化，如裂纹和孔洞的形成，电流密度图像表现出与光学显微图像高度的一致性。在较高的压力下，石墨烯条带的结构被严重破坏，难以从光学显微图像中区分其特征，而重构的电流密度图像更准确地展示了石墨烯条带的结构及电流流动。
图3. 高压下石墨烯器件的光学显微镜图像、电流密度及压力分布的演化
研究人员进一步在更加复杂的石墨烯-氮化硼二维器件中实现了高压电流密度分布及演化（图3）。高压下石墨烯器件的结构遭到破坏，并且电流密度图像出现不均匀的空间分布，这为二维材料和电子器件在高压下可能由电流不均匀性引起的奇异现象提供了参考。电流密度成像结合光学显微图像，能够在高压下更有效地评估石墨烯器件。此外，还绘制了石墨烯器件区域的压力空间分布，为高压下石墨烯器件中的电流密度分布不均匀提供了合理的解释，如接触电阻的差异和厚度的不均匀性等。
总结/展望
研究团队将NV色心与金刚石对顶砧装置（DAC）相结合，实现了高压下二维石墨烯器件的电流密度及压力分布的高分辨率成像。这项工作展示的方法并不局限于石墨烯器件，也适用于单层石墨烯、二维材料和薄膜固态系统，同时还可以结合低温或强磁场环境。除了在高压下检测石墨烯器件中的电流和微观缺陷外，该方法还可以测量电子性质，如拓扑边缘电流、自旋霍尔效应和超导等，并在高压下对各种二维器件进行电路评估。这将为研究高压下二维材料和电子器件中的电子输运和电导变化以及半导体电路的无损评估开辟一条重要的新途径。
相关论文发表在Nano Letters上，中国科学技术大学博士研究生仲成、王宇鹏、麦棣为文章的共同第一作者， 张增明教授、王中平副教授、代如成副教授为通讯作者。
通讯作者信息：
张增明 中国科学技术大学
中国科学技术大学物理学院教授，博士生导师，主要从事极端条件下物性研究，长期从事大学物理的实验与理论课程教学。曾获国家级教学成果二等奖，宝钢优秀教师特等奖。
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