二维类石墨烯层状材料上量子点的研究

摘要

量子点作为实现量子计算的一种可能方式之一，受到了很多科研工作者的关注。本文主要对二维类石墨烯层状材料上的量子点在低温环境下的输运性质展开实验研究。不同于传统的半导体材料，二维类石墨烯层状材料有着更薄的厚度、更好的柔韧性以及更容易与不同衬底相连等优势。本文主要对两类二维材料上的量子点进行了研究:一是石墨烯;二是过渡金属二硫化物。具体来说，本文的主要内容包括;
　　1.简单介绍研究背景，包括量子计算的基本概念及其物理实现的方法。针对半导体量子点，这一可能的量子计算物理实现方法，我们介绍了表述其的基本理论——常相互作用模型。利用这个简单的模型，可以解释诸如库仑阻塞、库仑振荡、单量子点的库仑菱形图以及双量子点的蜂窝图等很多的基本实验现象。最后我们介绍了量子点接触QPC、光子辅助隧穿PAT以及量子点中的弛豫时间和退相干时间等相关概念。
　　2.介绍了在二维材料量子点实验中使用到的微纳加工仪器。详细的介绍了不同样品的具体加工流程，并对其中的相关步骤和注意事项作了阐述和解释。最后简要介绍了实验中使用的低温测量平台以及外围电学测量仪器。
　　3.简要介绍了石墨烯的基本性质以及鉴别石墨烯层数的方法。在此基础上，我们制备了石墨烯刻蚀单量子点以及双量子点，并观测到了相应的库仑菱形图和蜂窝图。随后，为了研究石墨烯量子点中的相干性，我们对石墨烯器件中的噪声进行了研究。通过将石墨烯器件悬浮于衬底之上，我们可以研究石墨烯器件中噪声的来源。我们比较了悬浮和非悬浮的石墨烯器件之间归一化的噪声水平，并将我们制备的石墨烯量子器件上的噪声与传统半导体量子器件和石墨烯经典器件中的噪声水平进行了比较。得到了石墨烯纳米器件中更大的噪声主要是来自于石墨烯中的边界缺陷的影响这一结论，并给出了一个简单的模型定性的解释实验结果。
　　4.简要介绍了过渡金属二硫化物的基本性质以及判断层数的方法。接着介绍了我们制备的硫化钨场效应晶体管的性质。背栅电极和顶部门电极电压都对器件的源漏电流有开关作用，展示出很好的开关特性。在此基础上，我们在硒化钨材料上制备得到了门控量子点，并在其上观测到了库仑菱形和库仑振荡现象。进一步我们展示了顶部门电极对量子点大小的调制作用，这一结果与我们用COMSOL软件的模拟结果一致。与此同时，我们利用相似的方法在硫化钨上制备了量子点，研究其库仑振荡的规律。我们发现无论是硫化钨量子点还是硫化钨上杂质缺陷，它们展现出的库仑峰的峰高以及半高全宽随温度变化的关系，都符合传统半导体量子点的理论。这一与之前在石墨烯上的结果不一样的发现，表明我们制备的这种“无边界态”的量子点结构中并不存在无序的束缚势，而这一无序的束缚势与石墨烯量子点中偏大的势场涨落之间有着密不可分的联系。
　　本文的主要创新点有:
　　1.在实验上制备了悬浮于衬底之上的石墨烯纳米条带器件并观测到了库仑阻塞以及库仑振荡的现象。并首次在其上进行了1/f噪声的测量，标定了石墨烯量子器件中的噪声水平。
　　2.通过测量和比较悬浮和非悬浮的石墨烯纳米条带中的低频1/f噪声，探究石墨烯纳米器件中1/f噪声的来源。首次证明其并非来源于衬底，而是由边界缺陷引入的。
　　3.在实验上首次制备了基于二维过渡金属二硫化物硒化钨材料的门控量子点，此结构避免了边界态的影响。在这种量子点中观察到了连续的库仑菱形结构，同时展示了电极电压对于量子点大小的调节作用，并与理论模拟的结果进行比较，符合预期的设计。
　　4.在实验上首次制备了基于二维过渡金属二硫化物硫化钨材料的门控量子点，并首次详细研究了硫化钨材料上库仑振荡的性质。其中的库仑振荡与石墨烯中性质不同，呈现出规则的、不依赖于能量大小的束缚势垒，实验观察的现象与理论预期一致。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 量子计算简介

1．1．2 基于半导体量子点的量子计算

1．2 半导体量子点简介

1．2．1 门控量子点

1．2．2 单量子点的基本理论：常相互作用模型

1．2．3 双量子点基本理论

1．2．4 本文涉及到的一些与量子点相关的概念

1．3 本章小结及本文提纲

参考文献

第2章 样品加工及低温测量

2．1 微纳加工工艺及仪器

2．1．1 微纳加工仪器简介

2．1．2 二维类石墨烯层状材料量子点加工基本流程

2．2 低温平台及测量系统

2．2．1 液氦中的初测

2．2．2 He3制冷机

2．3 本章小结

第3章 石墨烯刻蚀量子点及悬浮石墨烯器件噪声测量

3．1 石墨烯概述

3．2 石墨烯量子点

3．3 悬浮石墨烯器件噪声测量

3．3．1 引言

3．3．2 悬浮石墨烯样品的制备

3．3．3 悬浮石墨烯器件的噪声测量

3．3．4 悬浮石墨烯器件噪声实验的结果分析

3．4 本章小结

参考文献

第4章 过渡金属二硫化物上量子点的研究

4．1 过渡金属二硫化物概述

4．2 过渡金属二硫化物场效应晶体管

4．3 硒化钨门控量子点

4．4 硫化钨量子点中的库仑振荡研究

4．5 本章小结

参考文献

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文