锗硅核壳型纳米线器件量子输运性质的实验研究

摘要

本论文针对锗硅核壳型纳米线这种新型半导体材料中的空穴输运性质进行了低温下量子输运性质的实验研究。主要侧重于两个方面：一是通过实验测量弱反局域化来探讨锗硅核壳型纳米线中的各种驰豫机制以及自旋轨道耦合相互作用；二是通过测量由超导材料做源漏电极的量子点器件来探讨锗硅核壳型纳米线量子点中能级结构与其旁边电极中超导态的相互作用。
　　 本论文的主要内容有：
　　 1.简单介绍论文中涉及到的与锗硅核壳型纳米线磁输运性质相关的物理概念。
　　 2.简单介绍了本论文中所涉及到的样品器件在加工过程中需要用到的微纳米加工仪器、工艺和技术，并详细介绍了光刻、电子束曝光等重点工艺的技术技巧。然后对本论文中所用到的样品和器件的加工流程做了细致的介绍。
　　 3.从实验角度，研究了普通金属材料做电极时单根锗硅核壳型纳米线中空穴的弱反局域化现象。并由相应的理论拟合出了空穴输运过程中各种驰豫机制对应的特征量，更重要的是得到了此材料中自旋轨道耦合的强度。并发现这些特征量和自旋轨道耦合强度都可由实验可控参数调制。
　　 4.研究了源漏电极为超导材料的锗硅核壳型纳米线量子点器件。发现在量子点与超导电极耦合较弱时，量子点的正常单空穴隧穿过程由于超导电极中打开的超导能隙而被抑制。
　　 5.研究了同样是源漏电极为超导材料的锗硅核壳型纳米线量子点器件，但是在量子点与超导电极耦合较强时，原来被超导电极中超导能隙抑制的量子点单空穴隧穿过程又被Andreev反射所增强。因而出现了Andreev反射增强的量子点中相位相干的单空穴隧穿过程。
　　 6.在源漏电极为超导材料的锗硅核壳型纳米线量子点器件中，发现了高阶的共隧穿过程，并伴随有负微分电导现象。这些现象都是由于Andreev反射而引起的，并随着超导电极失去超导特性而消失。
　　 7.对以上实验工作进行总结，强调本论文工作意义的同时，提出其中有待改进之处。并对将来在锗硅核壳型纳米线上的量子输运实验研究提出可行性建议。
　　 本论文的主要创新点为：
　　 1.首次对锗硅核壳型纳米线在低温下进行了磁输运性质的系统研究。
　　 2.通过弱反局域化实验，提取出了锗硅核壳型纳米线中的自旋轨道耦合强度，并发现此强度可被外电场调节。从而指出有望将来做出基于锗硅核壳型纳米线的自旋电子学器件。
　　 3.对锗硅核壳型纳米线量子点器件在有超导电极耦合的情况下，针对不同的耦合强度进行了实验研究。加深了对超导电极与量子点相互作用中各种情形的理解。
　　 4.基于实验现象，提出了Andreev反射增强的量子点中相位相干的单空穴隧穿的物理模型，并在实验中给予了验证。而这种现象无论从实验角度还是理论角度都未被报道或者预言过。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1纳米线

1.2锗硅核壳型纳米线

1.3 电控量子点

1.3.1 电控量子点的基本结构

1.3.2库仑阻塞

1.3.3 Kondo效应

1.3.4高阶共隧穿

1.4超导体的基本电学性质

1.4.1 BCS超导电性理论

1.4.2约瑟夫森效应和Andreev反射

1.5本章小结

第2章 样品加工与制备

2.1样品加工设备和工艺简介以及使用技巧

2.1.1原子力显微镜

2.1.2扫描电子显微镜

2.1.3光学曝光刻蚀

2.1.4电子束曝光刻蚀

2.1.5电子束蒸发镀膜

2.1.6原子层沉积

2.1.7其他

2.2锗硅核壳型纳米线器件加工步骤

2.2.1锗硅核壳型纳米线的生长

2.2.2迁移纳米线

2.2.3加工接触电极

2.2.4加工顶栅极

2.3本章小结

第3章 弱反局域化和自旋轨道耦合

3.1实验装置和样品基本性质

3.2负磁导和弱反局域化

3.3一维系统中的弱反局域化

3.3.1一维系统中的弱反局域化理论和数学表示

3.3.2实验数据拟合

3.4拟合得到的参数

3.4.1非弹性散射引起的相位变化

3.4.2 自旋轨道引起的相位变化

3.4.3背景电导的讨论

3.5自旋轨道耦合

3.5.1 自旋轨道耦合的机制

3.5.2锗硅纳米线系统中的自旋轨道耦合强度

3.6本章小结

第4章 量子点中超导能隙的打开

4.1量子点和超导电极相互作用时几个能量尺度的比较

4.2实验装置和样品基本性质

4.2.1样品结构

4.2.2实验环境和测量电路

4.2.3样品基本输运性质

4.3超导电极对量子点电输运性质的影响

4.3.1量子点中库仑阻塞区超导能隙的打开

4.3.2超导电极引起的量子点中库仑阻塞能隙的磁场响应

4.3.3超导电极引起的量子点中库仑阻塞能隙的温度响应

4.4本章小结

第5章 Andreev反射对量子点中单空穴隧穿的增强

5.1基本实验现象

5.1.1样品输运性质

5.1.2零磁场磁导尖峰

5.1.3二维菱形图中能隙的变化

5.2实验现象的解释

5.2.1排除Kondo效应和弱反局域化的影响

5.2.2 Andreev反射引起的单空穴相干传输

5.3更多的实验证据

5.3.1磁导峰随源漏偏压的变化

5.3.2磁导峰随背电压的变化

5.3.3磁导峰随温度的演化

5.4本章小结

第6章 Andreev反射引起的量子点中的共隧穿

6.1基本实验现象

6.1.1样品输运性质

6.1.2二维菱形图中的共隧穿谱和负微分电导

6.2实验现象的解释

6.2.1 Andreev反射引起量子点中的共隧穿

6.2.2超导电极中的准粒子态密度引起负微分电导

6.3更多的实验证据

6.3.1 共隧穿与源漏电极超导态的联系

6.3.2共隧穿随磁场的变化

6.3.3共隧穿随温度的演化

6.4本章小结

第7章 总结和展望

7.1本论文总结

7.2本论文工作中有待改进之处

7.3对未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文