可控生長InSb納米低維結構和其高質量量子器件

發布者：眺望科技                     發布日期：2023-03-03

窄帶InSb半導體材料以其具有高電子遷移率、大朗德g因子和強大的Rashba自旋軌道耦合特征而著稱，并成為自旋電子學、紅外探測、熱電以及復合半導體 - 超導器件中的新型量子比特和拓撲量子比特的材料候選者。由InSb制成的低維納米結構，如納米線或者 2D InSb納米結構（或量子阱），也因豐富的量子現象、優異的可調控性而顯示出巨大的潛力。然而，InSb量子阱由于其大晶格常數，很難在絕緣基板上外延生長。解決這些問題的一種方法是自下而上獨立生長出無缺陷的納米結構。通過氣-液-固（VLS）生長出的這種2D InSb納米片結構，具有非常高的晶體質量，顯示出單晶或接近單晶的優異特性。在之前的研究中，其生長過程幾乎都是起源于單個催化劑種子顆粒，因此位置、產量和方向幾乎沒有控制。

 

埃因霍溫理工大學的Erik教授指導學生Marco等與中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心HX-Q02組沈潔特聘研究員和張志遠、李國安、石佳玉、楊光等學生合作，開發了一種通過金屬有機氣相外延（MOVPE）在預定位置以預設數量（頻率）和固定取向/排列生長2D InSb納米結構的新方法（可控生長），并用低溫電輸運測量在其制備而成的量子器件中觀察到了不同晶體結構對應的特征結構。在這一方法中，通過在基底上制備V型槽切口，并精確控制成對從傾斜且相對的{111}B面生長的納米線進行合并來形成納米片。納米片狀形態和晶體結構由兩根納米線的相對取向決定。TEM等分析結果表明存在與不同晶界排列相關的三種不同的納米片形態：無晶界（I型）、Σ3-晶界（II型）和Σ9-晶界（III型）。后續的器件制備和輸運測量表明，I型、II型在輸運上都表現出良好的性質，有較好的量子霍爾效應，出現了量子化平臺，同時也有較高的場效應遷移率。與之相對的，III型納米線由于特殊晶界的存在，出現了明顯的遷移率降低和較差的量子霍爾行為，同時在偏壓譜中觀察到了象征勢壘的零偏壓電導谷。這些現象歸因于Σ9晶界帶來的勢壘對輸運性質的影響。

 

該研究結果說明，通過這種方法制備的I型和II型納米片表現出有潛力的輸運特性，適用于各種量子器件。尤其是，這種生長方案使得InSb納米線與InSb納米片一起生長，都具有預定的位置和方向，并可創建復雜的陰影幾何形狀與納米線網絡形狀。這些一旦與超導體的定向沉積相結合，便可用最少的制備步驟產生高質量InSb超導體復合量子器件，為拓撲量子比特和新型復合量子比特提供器件平臺。此外，與通過分子束外延（MBE）生長的InSb納米片相比，用這種方法生長的InSb納米片更薄，更有助于量子化現象的出現和增加可調控性。

 

相關研究成果以“Merging Nanowires and Formation Dynamics of Bottom-Up Grown InSb Nanoflakes”為題，于2023年2月8日在Advanced Functional Materials上在線發表。該項工作得到了國家自然科學基金委（2174430和92065203），中國科學院先導專項（XDB33000000），北京市科技新星（Z211100002121144）和綜合極端條件實驗裝置（SECUF）的支持。

 

文章鏈接：Merging Nanowires and Formation Dynamics of Bottom‐Up Grown InSb Nanoflakes - Rossi - Advanced Functional Materials - Wiley Online Library

圖1 (a)InSb納米線和納米片基底的示意圖。在InP(100)晶圓上制作v型槽切口(“溝槽”)，暴露出(111)B面。金顆粒在InP(111)B切面預先確定的位置上進行曝光制備，InSb納米線在其上生長。通過在相反的InP(111)B切面上沉積Au顆粒，InSb納米線將合并，形成e)納米橋和f)納米片。

 

圖2 三種類型的InSb納米片的晶體取向與最終形貌的關系。

 

圖3 三種類型InSb納米片的形貌演變。

 

圖4 三種納米片的低溫電輸運測量。a - c)顯示了兩端電導作為背門電壓Vbg和磁場B的函數，即朗道扇形圖。插圖中顯示的是假彩色SEM圖像。納米薄片被Al電極(藍色)接觸，Σ3和Σ9晶界分別用黃色和紅色虛線標記。d-f)為a-c)在4T、8T和11T處扇圖的截線，顯示量子化平臺存在與否。g-i)為三種類型納米片低磁場下微分電導dI/dV與Vbias和Vbg的函數關系，可以看出i)中存在與晶界對應的零偏壓電導谷。j)由三種不同類型的納米片制成的8個器件的場效應遷移率，顯示三類納米線不同的遷移率。