锗硅自组织纳米线量子点和微波谐振腔的复合结构的实验研究
发布时间：2020-05-28 22:41
【摘要】：随着半导体产业的飞速发展和微纳米加工工艺的不断进步,前沿科学研究已经进入微观量子调控领域。纳米尺度的量子点可以精确调控单个载流子的隧穿。量子点的电荷态或者自旋态形成的二能级系统可以用于制备量子比特。量子比特的量子态已经可以实现探测和操作,量子芯片和量子计算展现了广阔的应用潜能。但是可应用的量子芯片需要量子比特在保持相干性的前提下实现精确测量和可扩展集成。国际上认为利用超导微波谐振腔不仅可以实现对量子比特的灵敏测量,而且可以作为量子总线实现多个量子比特的长距离耦合,是量子芯片集成化的可行方案。本论文主要研究了基于锗硅自组织纳米线量子点以及量子点和超导微波谐振腔的复合结构,同时还研究了利用超导微波谐振腔对量子点状态的灵敏测量的理论机制和实验实现。本论文的主要内容有:1.简要介绍了量子计算的产生背景和实现体系,半导体门控量子点体系,多种新型半导体材料体系,腔量子电动力学和电路量子电动力学以及量子点中的电荷态和自旋态和超导微波谐振腔的强耦合的最新进展;2.制备了锗硅自组织纳米线空穴型单量子点和双量子点,以及介绍了样品制备所用到的微纳制备设备和工艺。详细介绍了单量子点的电极设计、能级结构以及完整的加工工艺流程。实验研究了锗硅自组织纳米线空穴型单量子点的接触性质,库仑震荡图和库仑菱形图等输运性质,以及磁场下的能级劈裂表现和朗德g因子;3.设计和制备了锗硅自组织空穴型单量子点和超导微波谐振腔的复合结构,包括样品结构和测量系统。研究了微波的幅值和相位用于单量子点电荷态的灵敏测量,并从幅值和相位信号中提取了频率移动和频率展宽信息用于解释微波测量的理论机制。以运动方程理论为基础利用量子点的载流子压缩系数以及量子点和谐振腔的耦合电容确定了单量子点和谐振腔体系中空穴-谐振腔的耦合强度,并进一步评估了自旋-谐振腔的耦合强度接近于强耦合水平;4.研究了利用超导微波谐振腔探测量子点的性质。幅值和相位读取量子点复导纳信息。幅值和相位信号推算出反射式微波谐振腔和量子点耦合体系中的频率移动和频率展宽信息,并以此为基础论证了幅值和相位和直流输运的定量对应和转换关系。5.设计和制备了锗硅自组织空穴型双量子点和超导微波谐振腔的复合结构。并且比较了双量子点-谐振腔的耦极耦合模式和单量子点-谐振腔的耦合模式。基于不同的理论模型解释了微波的幅值和相位信号对于双量子点中空穴在左点和右点之间以及在量子点和电极之间隧穿的不同反应;本文的创新点有:1.设计和制备了锗硅自组织纳米线单量子点和双量子点;2.实现锗硅自组织空穴型单量子点和双量子点与超导微波谐振腔的耦合,利用谐振腔的幅值和相位信号实现量子点电荷态的灵敏测量;3.从微波谐振腔的幅值和相位信号中分别利用奇偶部分积分的方法以及理论推导的方法得到频率移动和频率展宽信息,并以此为基础建立了幅值和相位与直流输运信号的定量对应和转换关系。并且利用微波的幅值和相位信号测量量子点的复导纳以及评估隧穿率。4.基于量子点的载流子压缩系数以及量子点和谐振腔的耦合电容提取了锗硅自组织纳米线空穴型单量子点和谐振腔体系中空穴-谐振腔的耦合强度,更进一步评估了该体系的自旋-谐振腔的耦合强度;5.比较和解释了双量子点-谐振腔和单量子点-谐振腔的耦合机制的不同,基于不同的理论模型探索了双量子点-谐振腔模型之中空穴在左点和右点之间以及量子点和电极之间隧穿的不同反应;
【图文】：
１．２二维材料体系的量子点结构。（ａ）砷化镓。（ｂ）硅《邋（ｃ）二硫化钼。（ｄ）石墨烯。图逡逑引自［３５－３８］。逡逑新型半导体材料的门控量子点则是利用材料本身的结构和能级束缚结合施逡逑在电极上的电势作为束缚手段。对于二维材料，比如砷化镓［３５］、硅［３６］、石墨逡逑［３７］、二硫化钼［３８］等，材料本身在垂直于材料平面的维度上对载流子的输运逡逑限制，所以只需要在另外两个维度增加一系列电极并施加电势，即可形成量子逡逑；对于一维材料，比如锗硅核壳型纳米线［３９］、锗硅自组织纳米线［４０］、铟砷纳逡逑线［４１］、碳纳米管［４２］、铟锑纳米线［４３］等，材料本身在材料的横截面的两个维逡逑限制载流子的输运，所以只需要在沿着纳米线维度施加电极电势即可得到量子逡逑；对于如锗硅纳米晶［４４］这类的零维材料，材料本身在三个维度己有限制，但逡逑仍然需要加上电极调节载流子的输运。逡逑
丨邋＾逡逑图１．２二维材料体系的量子点结构。（ａ）砷化镓。（ｂ）硅《邋（ｃ）二硫化钼。（ｄ）石墨烯。图逡逑片引自［３５－３８］。逡逑新型半导体材料的门控量子点则是利用材料本身的结构和能级束缚结合施逡逑加在电极上的电势作为束缚手段。对于二维材料，比如砷化镓［３５］、硅［３６］、石墨逡逑烯［３７］、二硫化钼［３８］等，材料本身在垂直于材料平面的维度上对载流子的输运逡逑有限制，所以只需要在另外两个维度增加一系列电极并施加电势，即可形成量子逡逑点；对于一维材料，比如锗硅核壳型纳米线［３９］、锗硅自组织纳米线［４０］、铟砷纳逡逑米线［４１］、碳纳米管［４２］、铟锑纳米线［４３］等，材料本身在材料的横截面的两个维逡逑度限制载流子的输运，，所以只需要在沿着纳米线维度施加电极电势即可得到量子逡逑点；对于如锗硅纳米晶［４４］这类的零维材料，材料本身在三个维度己有限制，但逡逑是仍然需要加上电极调节载流子的输运。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O471.1
本文编号：2685938
【图文】：
１．２二维材料体系的量子点结构。（ａ）砷化镓。（ｂ）硅《邋（ｃ）二硫化钼。（ｄ）石墨烯。图逡逑引自［３５－３８］。逡逑新型半导体材料的门控量子点则是利用材料本身的结构和能级束缚结合施逡逑在电极上的电势作为束缚手段。对于二维材料，比如砷化镓［３５］、硅［３６］、石墨逡逑［３７］、二硫化钼［３８］等，材料本身在垂直于材料平面的维度上对载流子的输运逡逑限制，所以只需要在另外两个维度增加一系列电极并施加电势，即可形成量子逡逑；对于一维材料，比如锗硅核壳型纳米线［３９］、锗硅自组织纳米线［４０］、铟砷纳逡逑线［４１］、碳纳米管［４２］、铟锑纳米线［４３］等，材料本身在材料的横截面的两个维逡逑限制载流子的输运，所以只需要在沿着纳米线维度施加电极电势即可得到量子逡逑；对于如锗硅纳米晶［４４］这类的零维材料，材料本身在三个维度己有限制，但逡逑仍然需要加上电极调节载流子的输运。逡逑
丨邋＾逡逑图１．２二维材料体系的量子点结构。（ａ）砷化镓。（ｂ）硅《邋（ｃ）二硫化钼。（ｄ）石墨烯。图逡逑片引自［３５－３８］。逡逑新型半导体材料的门控量子点则是利用材料本身的结构和能级束缚结合施逡逑加在电极上的电势作为束缚手段。对于二维材料，比如砷化镓［３５］、硅［３６］、石墨逡逑烯［３７］、二硫化钼［３８］等，材料本身在垂直于材料平面的维度上对载流子的输运逡逑有限制，所以只需要在另外两个维度增加一系列电极并施加电势，即可形成量子逡逑点；对于一维材料，比如锗硅核壳型纳米线［３９］、锗硅自组织纳米线［４０］、铟砷纳逡逑米线［４１］、碳纳米管［４２］、铟锑纳米线［４３］等，材料本身在材料的横截面的两个维逡逑度限制载流子的输运，，所以只需要在沿着纳米线维度施加电极电势即可得到量子逡逑点；对于如锗硅纳米晶［４４］这类的零维材料，材料本身在三个维度己有限制，但逡逑是仍然需要加上电极调节载流子的输运。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O471.1
【参考文献】
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1 李炎;李舒啸;李海欧;邓光伟;曹刚;肖明;郭国平;;Charge noise acting on graphene double quantum dots in circuit quantum electrodynamics architecture[J];Chinese Physics B;2018年07期
本文编号：2685938
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