中國科大在二維材料半導體量子電晶體研究中取得重要進展

2020-12-06 中國科大新聞網

中國科大在二維材料半導體量子電晶體研究中取得重要進展

　　我校郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室在半導體門控量子點的研究中取得重要進展。該實驗室郭國平教授研究組與其合作者深入探索二維層狀過渡金屬硫族化合物應用於半導體量子晶片的可能性，實驗上首次在半導體柔性二維材料體系中實現了全電學調控的量子點器件。該成果於10月20日在線發表在《科學·進展》（Science Advances）雜誌上。

 

經過幾十年的發展，半導體門控量子點作為一種量子電晶體已經成為量子晶片的熱門候選體系之一。以石墨烯為代表的二維材料體系因為其天然的單原子層厚度、優異的電學性能、易於集成等優點，成為柔性電子學、量子電子學的重點研究對象。然而自石墨烯被發現之後的十幾年裡，科學家們經過大量的實驗嘗試，發現石墨烯中能帶結構、界面缺陷雜質等因素對量子點器件的性能有很大的影響。直到目前為止，二維材料中的量子點還無法實現有效的電學調控。

 

基於此，郭國平研究組與日本國立材料研究所Takashi Taniguchi和Kenji Watanabe研究員以及理化研究所的Franco Nori教授合作，選擇新型二維材料二硫化鉬進行深入研究。該材料具有合適的帶隙、較強的自旋軌道耦合強度以及豐富的自旋-能谷相關的物理現象，因此在量子電子學，尤其是自旋電子學和能谷電子學中具有廣闊的應用前景。經過大量的嘗試，研究組利用微納加工、低溫LED輻照等一系列現代半導體工藝手段，結合當前二維材料體系研究中廣泛採用的氮化硼封裝技術，有效減少了量子點結構中的雜質、缺陷等，首次在這類材料中實現了全電學可控的雙量子點結構。在極低溫下，通過電極電壓，可以將一個尺寸約為128 nm的單量子點調製為兩個尺寸約為68 nm的單點組成的雙量子點系統，雙量子點體系的點間電子隧穿可以通過電極電壓單調的調控，即實現了人造原子到人造分子的電學可控調製。這種可控的單電子隧穿器件為在單電子層面研究該材料自旋和能谷自由度相關的物理現象提供了可能的平臺。利用這一平臺，研究組觀測到了器件電導隨著外磁場增大而下降。這一被稱作庫倫阻塞反局域化的現象，揭示了在二硫化鉬這種材料中短程缺陷和自旋軌道耦合對電學輸運性質的影響。

 

中科院量子信息重點實驗室博士生張拙之和宋驤驤為這篇文章的共同第一作者。該工作得到了國家基金委、科技部、中國科學院、量子信息與量子科技前沿協同創新中心的支持，實驗中部分樣品加工流程在中國科學技術大學微納研究與製造中心完成。

 

 

（中科院量子信息重點實驗室、量子信息和量子科技前沿創新中心、科研部）

 

文章連結：http://advances.sciencemag.org/content/3/10/e1701699

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