科学家创建了一个机械可调的石墨烯量子点

 常见问题     |      2020-07-01 05:14

精确操纵单个电荷载流子是单电子晶体管和包括固态量子位在内的未来电子设备的基石。量子点(Quantum dots,QD)是这些设备的核心。发表在最近的《纳米通讯》(Nano Letters)杂志的论文中,代尔夫特理工大学(TU Delft)的研究人员,提出了第一个机械可调式单层石墨烯量子点,其电子特性可以通过面内纳米位移来改变。

为了访问样本中的电气和机械信息,研究人员使用了一个称为机械控制断开结(mechanically controlled break junction)的平台,来测量其设备在三点弯曲过程中的机电性能。该样品由范德华异质结构(Waals heterostructure)组成,该异质结构是通过在柔性基板的顶部堆叠几个2D材料薄片制成的:石墨背栅以静电控制通过该器件的电流;六边形氮化硼(hexagonal boron nitride)介电层和单层石墨烯导电通道。

弯曲过程中室温测量的结果表明,石墨烯被图案化为收缩宽度为160nm的纳米蝶形,最终破裂为零电流,但由于石墨烯的滑动和重叠也可以重新在石墨烯边缘制成微安电流。

代尔夫特理工大学的主要作者、萨宾娜·卡内娃(Sabina Caneva)说,“我们在低温温度(4K)下进行了相同类型的测量,并将电流作为栅极电压和偏置电压的函数进行映射,得出了清晰的菱形图案。” “这意味着连接中存在一个量子点。”

引人注目的是,利用纳米级机械位移,研究人员表明,量子点与石墨烯引线的电容耦合和隧道耦合都可以完全可逆的方式进行调整。卡内娃说:“我们对耦合到漏电极的隧道实现了五个数量级的调制,这大大高于仅在电气控制下对的量子点。”器件的几何形状允许形成石墨烯双层重叠区域,其中重叠的长度可以通过机械调谐旋钮的亚纳米控制来改变。

重要的是,这允许研究人员通过改变量子点和漏极之间的重叠来修改隧道耦合中的不对称性。该论文作者Pascal Gehring说:“对石墨烯量子点进行如此全面且可逆的操作是前所未有的,在该操作中可以通过机械和电子方式控制静电和耦合。” “这些结果与对隧道不对称效应的详细了解,对于器件性能至关重要的应用有关,例如在量子量热法和量子点能量收集器中。”

该研究平台可以扩展到其他二维材料,以探索在电气和机械影响下的低温传输行为。特别地,它可以使超导薄膜中超窄缩的形成、破裂和受控重叠,从而提供了一种在平面装置中操纵约瑟夫森效应的新颖方法。

参考:A Mechanically Tunable Quantum Dot in a Graphene Break Junction, Nano Letters (2020). DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00984