华中科技大学Nat Commun：石墨烯“德蒙波”晶体管

研究背景

在固态物理与微电子工程领域，电流可以通过场效应晶体管被高效地开关与调控，但热流却始终难以实现类似的精细控制。在常规材料中，热主要依赖扩散机制传播，本质上缺乏可栅控的“阀门”结构。这种扩散主导的特性，使得主动式热管理与热信号处理长期停留在概念层面。

近年来，随着对量子临界输运与电子流体力学的深入研究，人们发现，在接近电中性条件的石墨烯中，电子—电子散射主导体系行为，材料可进入所谓“狄拉克流体”状态。在这一状态下，热不再简单扩散，而是可以以集体激发形式传播，即以熵波形式在电子—空穴等离子体中传输能量。这种被称为“demon”模式的集体激发，为实现非扩散型热调控提供了全新的物理基础。

成果介绍

华中科技大学赵文宇研究团队联合日本国家材料研究所等单位首先构建了高迁移率的单层石墨烯器件，采用六方氮化硼进行全封装以获得超洁净电子通道。在器件结构上，设计了全局背栅与局域顶栅的双栅结构，使得背景载流子密度与局部区域载流子浓度可以独立调控。局域顶栅在石墨烯通道中形成一段窄尺度载流子密度“墙”，这一结构成为调制熵波传播的核心单元。

图 1石墨烯中的 demon 波传播。(a) demon 波晶体管器件结构示意图。单层石墨烯沟道（夹封于六方氮化硼 hBN 之间）置于共面金波导之上，波导中央具有约 300 nm 的纳米间隙。金电极同时作为全局背栅（Gate 2）。在石墨烯上方制备局域顶栅（Gate 1），用于形成可调控的载流子密度“壁”区域。(b) demon 波沿石墨烯沟道传播并遇到载流子密度壁的示意图。(c) 制备完成的石墨烯器件光学显微照片。绿色阴影区域表示热波注入的扫描区域。(d) 太赫兹泵浦–探测测量示意图。150 fs、532 nm 激光脉冲（绿色）在石墨烯中产生热载流子区域，从而激发沿沟道传播的流体动力学能量波。当波传播至纳米间隙天线处时，在局域掺杂的石墨烯中诱导弱电荷振荡，产生太赫兹电磁瞬态信号并耦合至波导中。该太赫兹脉冲最终在波导末端通过快速光电导开关进行探测。(e) 在无载流子壁（Gate 1 = 0 V）条件下，不同背景载流子密度对应的传播波时空电场分布𝐸(𝑥,𝑡)。分别展示电荷近中性石墨烯（𝑛_background = 0.1 × 10¹¹ cm⁻²）、中等电子掺杂（𝑛_background = 0.4 × 10¹¹ cm⁻²）以及较高电子掺杂（𝑛_background = 1.1 × 10¹¹ cm⁻²）的情况。x–t 平面中的斜率（白色虚线标示）反映了波的群速度。(f) 不同载流子密度下提取的 demon 波色散关系𝑓(𝑞)（符号表示），通过对𝐸(𝑥,𝑡) 数据进行傅里叶变换分析获得。

在实验中，研究人员利用片上时空分辨太赫兹显微成像技术，通过飞秒激光脉冲局域加热电子气体，在石墨烯中激发出熵波模式。实验结果显示，该热扰动并非扩散式衰减，而是以波动形式沿通道传播，其群速度随载流子浓度变化而改变，验证了电子流体中熵波的集体传播特性。

当传播中的熵波遇到局域载流子墙时，其传输行为发生显著变化。实验发现，在背景区域与墙区域载流子极性相同的情况下，熵波几乎无反射地穿越界面，实现高效传输；而当局域区域与背景区域极性相反时，界面处出现明显阻抗失配，导致熵波强烈反射与衰减。通过连续调节局域栅压，研究团队实现了超过80%的热流调制深度，真正构建出可电控的“热阀门”。

图 2 demon 波传播的栅控实验结果。(a) 三种代表性栅极定义载流子壁结构下的 demon 波时空分布𝐸(𝑥,𝑡) 图。三种情况分别为：壁区为空穴掺杂𝑛_wall = −5 × 10¹¹ cm⁻²（与 n 型背景极性相反）；壁区与背景载流子密度匹配（𝑛_background = 0.4 × 10¹¹ cm⁻²），相当于均匀沟道；以及壁区为电子掺杂𝑛_wall = 5 × 10¹¹ cm⁻²（与背景极性相同）。在强极性失配的 n–p–n 构型中，壁区之后的透射波幅度显著减弱，表明大部分热波在界面处被反射或耗散。(b) 在轻微 n 型掺杂背景下，透射太赫兹场幅值随壁区载流子密度（纵轴，由 Gate 1 控制）与时间延迟变化的伪彩色图。结果显示透射波的连续可调性：当壁区载流子类型由 p 型扫描至 n 型时，demon 波透射由近乎“关闭”状态逐渐过渡至完全“开启”。(c) 不同壁区掺杂水平下透射波的频域谱，展示了由栅控载流子壁实现的宽频调制行为。(d) 由 (b) 中测量数据提取得到的透射热流随壁区载流子密度的变化关系。(e–h) 对应轻微 p 型掺杂石墨烯背景的补充测量结果，表明 demon 模式的极性敏感性在电子与空穴掺杂之间呈对称行为。(e) 三种代表性壁区掺杂条件下的𝐸(𝑥,𝑡) 时空分布图；(f–h) 分别为 p 型背景下的透射场分布图 (f)、频谱分布 (g) 以及热流变化曲线 (h)，对应关系与 (b–d) 类似。其行为与 n 型背景情形相互映射，进一步证明透射特性主要由波与载流子壁之间的相对极性决定。在 (d) 与 (h) 中，数据点（圆点）表示从 (b) 与 (f) 的时域数据中提取的最大电场模平方（|𝐸_max|²），实线为对实验数据的多项式拟合结果。n 型背景数据以红色表示，p 型背景数据以蓝色表示。

进一步的双流体流体力学理论模拟表明，熵波传输由不同区域之间的流体阻抗匹配程度决定。该阻抗与电子流体的熵密度、温度及声速密切相关，体现出一种类似声学或电磁波界面的反射机制。数值结果与实验数据高度一致，证实了该热晶体管工作原理来源于电子流体的热力学与动力学连续性条件。

图 3载流子密度壁处的 demon 波传播模拟。(a,b) 在轻微 n 型掺杂石墨烯背景中，模拟得到的熵波𝐸(𝑥,𝑡) 穿过载流子密度壁的时空分布图。(a) 中，壁区为 n 型，与背景极性一致（n–n–n 构型），表现为高透射；(b) 中，壁区为 p 型（n–p–n 构型），产生强阻抗失配，从而抑制透射。(c) 不同壁区掺杂水平下透射波的频域谱，显示在极性相反的壁结构中出现宽频抑制。(d) 透射热流随壁区载流子密度𝑛_wall 的变化关系，表现出明显的开–关调制行为。(e,f) 对应轻微 p 型掺杂背景的模拟结果。(e) 中壁区为 p 型（p–p–p 构型），实现高效透射；(f) 中壁区为 n 型（p–n–p 构型），由于极性失配而抑制传播。(g) p 型掺杂背景下的频域谱。(h) 透射热流随𝑛_wall 的变化关系，显示电子与空穴掺杂区间之间具有对称的栅控行为。(a)、(b)、(e) 和 (f) 中的水平虚线标示载流子密度壁所在的空间区域；(d) 与 (h) 中的实线为基于双流体流体动力学模型计算得到的模拟热流曲线，其中 n 型背景用红色表示，p 型背景用蓝色表示。

该器件不依赖相变材料或机械结构，完全基于单一石墨烯材料内部的集体电子动力学实现主动调制，其响应速度理论上仅受限于栅极RC时间常数，有望达到数十GHz量级。这种机制为构建高速、可重构的热电路提供了新的技术路径。

图 4远离电荷中性点时的栅控性能。(a) 在中等 n 型掺杂背景（𝑛_background = 0.6 × 10¹¹ cm⁻²）下，demon 波透射率随壁面载流子密度的变化。(b) 在高度 n 型掺杂背景（𝑛_background = 1.1 × 10¹¹ cm⁻²）下的 demon 波透射率。

即使电子流体远离电荷中性点（但仍处于流体动力学输运区间），载流子密度壁仍表现出显著的开–关调制行为及明显的极性不对称性。(c) 与 (d) 分别对应 p 型掺杂背景𝑛_background = −0.6 × 10¹¹ cm⁻² 和 −1.1 × 10¹¹ cm⁻² 的结果。所有面板中，实验热流数据（|E_max|²）以圆点表示，多项式拟合结果以虚线给出；n 型背景（a、b）用红色标示，p 型背景（c、d）用蓝色标示。实线为流体动力学模拟结果，其中 n 型背景对应绿色曲线，p 型背景对应橙色曲线。

总结展望

该研究首次实现了基于电子流体熵波的栅控热晶体管，在固态体系中验证了主动式热流调制的可行性。相比传统依赖声子输运或材料相变的热调控方案，该方法依托二维材料中的量子临界输运机制，实现了非扩散、可调控、快速响应的热管理模式。

面向未来，该成果为片上热逻辑单元、热信号处理器件以及新型能量调控系统提供了理论与实验基础。随着二维材料大面积制备与集成工艺的不断成熟，基于电子流体动力学的热电子器件有望与现有微电子平台深度融合。在功耗密度持续攀升、热管理成为芯片发展瓶颈的背景下，这种基于集体模式的主动热控制策略，或将为下一代信息与能量协同调控技术开辟新的方向。

论文信息：Graphene demon wave transistor, Nature Commun., 2026

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-69839-6