【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】窄帶InSb半導(dǎo)體材料以高電子遷移率、大朗德g因子和強(qiáng)大的Rashba自旋軌道耦合特征而著稱，成為自旋電子學(xué)、紅外探測(cè)、熱電以及復(fù)合半導(dǎo)體-超導(dǎo)器件中的新型量子比特和拓?fù)淞孔颖忍氐牟牧虾蜻x者。
 

　　由InSb制成的低維納米結(jié)構(gòu)如納米線或2D InSb納米結(jié)構(gòu)(或量子阱)，也因豐富的量子現(xiàn)象、優(yōu)異的可調(diào)控性而頗具潛力。然而，InSb量子阱由于大晶格常數(shù)，較難在絕緣基板上外延生長(zhǎng)。解決這些問題的方法之一是自下而上獨(dú)立生長(zhǎng)出無缺陷的納米結(jié)構(gòu)。通過氣-液-固(VLS)生長(zhǎng)出的2D InSb納米片結(jié)構(gòu)具有非常高的晶體質(zhì)量，顯示出單晶或接近單晶的優(yōu)異特性，而在以往研究中其生長(zhǎng)過程幾乎均是起源于單個(gè)催化劑種子顆粒，因而位置、產(chǎn)量和方向幾乎沒有控制。
 

　　荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)與中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心HX-Q02組特聘研究員沈潔等合作，開發(fā)出通過金屬有機(jī)氣相外延(MOVPE)在預(yù)定位置以預(yù)設(shè)數(shù)量(頻率)和固定取向/排列生長(zhǎng)2D InSb納米結(jié)構(gòu)的新方法(可控生長(zhǎng))，并利用低溫電輸運(yùn)測(cè)量其制備而成的量子器件，觀察到不同晶體結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的特征結(jié)構(gòu)。
 

　　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(duì)從傾斜且相對(duì)的{111}B面生長(zhǎng)的納米線進(jìn)行合并來形成納米片。納米片狀形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)由兩根納米線的相對(duì)取向決定。TEM等分析表明，存在與不同晶界排列相關(guān)的三種不同的納米片形態(tài)——無晶界(I型)、Σ3-晶界(II型)、Σ9-晶界(III型)。后續(xù)的器件制備和輸運(yùn)測(cè)量表明，I型、II型在輸運(yùn)上表現(xiàn)出良好的性質(zhì)，有較好的量子霍爾效應(yīng)，出現(xiàn)了量子化平臺(tái)，也有較高的場(chǎng)效應(yīng)遷移率。
 

　　與之相對(duì)，III型納米線因特殊晶界的存在，出現(xiàn)了明顯的遷移率降低和較差的量子霍爾行為，且在偏壓譜中被觀察到象征勢(shì)壘的零偏壓電導(dǎo)谷。這歸因于Σ9晶界帶來的勢(shì)壘對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響。
 

　　研究表明，通過這種方法制備的I型和II型納米片表現(xiàn)出有潛力的輸運(yùn)特性，適用于各種量子器件。尤其是這種生長(zhǎng)方案使得InSb納米線與InSb納米片一起生長(zhǎng)，具有預(yù)定的位置和方向，并可創(chuàng)建復(fù)雜的陰影幾何形狀與納米線網(wǎng)絡(luò)形狀。
 

　　這一旦與超導(dǎo)體的定向沉積相結(jié)合，便可用最少的制備步驟產(chǎn)生高質(zhì)量InSb超導(dǎo)體復(fù)合量子器件，為拓?fù)淞孔颖忍睾托滦蛷?fù)合量子比特提供器件平臺(tái)。此外，與通過分子束外延(MBE)生長(zhǎng)的InSb納米片相比，采用這一方法生長(zhǎng)的InSb納米片更薄，更有助于量子化現(xiàn)象的出現(xiàn)和增加可調(diào)控性。
 

　　2月8日，相關(guān)研究成果以Merging Nanowires and Formation Dynamics of Bottom-Up Grown InSb Nanoflakes為題，在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、北京市科技新星計(jì)劃和綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。
 

　　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(yù)先確定的位置上進(jìn)行曝光制備，InSb納米線在其上生長(zhǎng)。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(guān)系
 

　　圖4.三種納米片的低溫電輸運(yùn)測(cè)量。(a-c)顯示了兩端電導(dǎo)作為背門電壓Vbg和磁場(chǎng)B的函數(shù)，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(lán)色)接觸，Σ3和Σ9晶界分別用黃色和紅色虛線標(biāo)記。(d-f)為(a-c)在4T、8T和11T處扇圖的截線，顯示量子化平臺(tái)存在與否。(g-i)為三種類型納米片低磁場(chǎng)下微分電導(dǎo)dI/dV與Vbias和Vbg的函數(shù)關(guān)系，可以看出(i)中存在與晶界對(duì)應(yīng)的零偏壓電導(dǎo)谷。(j)由三種不同類型的納米片制成的8個(gè)器件的場(chǎng)效應(yīng)遷移率，顯示三類納米線不同的遷移率。