中國科大等在二維材料半導(dǎo)體量子晶體管研究中取得進(jìn)展

　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，在半導(dǎo)體門控量子點(diǎn)的研究中取得進(jìn)展。該實(shí)驗(yàn)室郭國平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(yīng)用于半導(dǎo)體量子芯片的可能性，實(shí)驗(yàn)上首次在半導(dǎo)體柔性二維材料體系中實(shí)現(xiàn)了全電學(xué)調(diào)控的量子點(diǎn)器件。該成果于10月20日在線發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）上。

　　經(jīng)過幾十年的發(fā)展，半導(dǎo)體門控量子點(diǎn)作為一種量子晶體管已成為量子芯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其天然的單原子層厚度、優(yōu)異的電學(xué)性能、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，成為柔性電子學(xué)、量子電子學(xué)的重點(diǎn)研究對(duì)象之一。然而，自石墨烯被發(fā)現(xiàn)之后的十幾年里，科學(xué)家們經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)嘗試，發(fā)現(xiàn)石墨烯中能帶結(jié)構(gòu)、界面缺陷雜質(zhì)等因素對(duì)量子點(diǎn)器件的性能有很大影響。目前，二維材料中的量子點(diǎn)無法實(shí)現(xiàn)有效的電學(xué)調(diào)控。

　　基于此，郭國平研究組及其合作者選擇新型二維材料二硫化鉬進(jìn)行深入研究。該材料具有合適的帶隙、較強(qiáng)的自旋軌道耦合強(qiáng)度以及豐富的自旋-能谷相關(guān)的物理現(xiàn)象，在量子電子學(xué)，尤其是自旋電子學(xué)和能谷電子學(xué)中具有廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過大量嘗試，研究人員利用微納加工、低溫LED輻照等一系列現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝手段，結(jié)合當(dāng)前二維材料體系研究中廣泛采用的氮化硼封裝技術(shù)，有效減少了量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)、缺陷等，首次在這類材料中實(shí)現(xiàn)了全電學(xué)可控的雙量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在極低溫下，通過電極電壓，可以將一個(gè)尺寸約為128nm的單量子點(diǎn)調(diào)制為兩個(gè)尺寸約為68nm的單點(diǎn)組成的雙量子點(diǎn)系統(tǒng)，雙量子點(diǎn)體系的點(diǎn)間電子隧穿可以通過電極電壓單調(diào)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了人造原子到人造分子的電學(xué)可控調(diào)制。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(guān)的物理現(xiàn)象提供了可能的平臺(tái)。利用這一平臺(tái)，研究人員觀測到了器件電導(dǎo)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(xiàn)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(duì)電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。

　　研究工作得到了國家基金委、科技部、中科院、量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的支持，實(shí)驗(yàn)中部分樣品加工流程在中國科大微納研究與制造中心完成。

中國科大等在二維材料半導(dǎo)體量子晶體管研究中取得進(jìn)展