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中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所在量子點(diǎn)異質(zhì)外延研究方面取得重要進(jìn)展

研發(fā)快訊 2024年06月12日 08:36:39來(lái)源:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 11049
摘要近期,在中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王占國(guó)院士的指導(dǎo)下,劉峰奇研究員團(tuán)隊(duì)等在量子點(diǎn)異質(zhì)外延的研究方面取得重要進(jìn)展。

  【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】半導(dǎo)體量子點(diǎn)(Quantum Dot,QD)以其顯著的量子限制效應(yīng)和可調(diào)的能級(jí)結(jié)構(gòu),成為構(gòu)筑新一代信息器件的重要材料,在高性能光電子、單電子存儲(chǔ)和單光子器件等方面具有重要應(yīng)用價(jià)值。半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料的制備和以其為基礎(chǔ)的新型信息器件是信息科技前沿研究的熱點(diǎn)。
 
  近期,在中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王占國(guó)院士的指導(dǎo)下,劉峰奇研究員團(tuán)隊(duì)等在量子點(diǎn)異質(zhì)外延的研究方面取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)以二維材料為外延襯底,基于分子束外延技術(shù),發(fā)展出范德華外延(van der Waals epitaxy)制備量子點(diǎn)材料(圖1)的新方案。
 
  層狀結(jié)構(gòu)的二維材料表面沒(méi)有懸掛鍵,表面能低。因此在遠(yuǎn)離熱平衡的超高真空條件下,具備閃鋅礦、纖鋅礦等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料在其表面生長(zhǎng)時(shí),在總自由能最小的驅(qū)動(dòng)下,原子沉積在二維材料上,將傾向于裸露出更多襯底,同時(shí)將自身的原子更多地包裹進(jìn)體內(nèi),以降低表面自由能,從而實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的生長(zhǎng)。反射式高能電子衍射(RHEED)的原位生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)顯示,量子點(diǎn)的范德華外延生長(zhǎng)為非共格外延模式,區(qū)別于S-K生長(zhǎng)模式,襯底和量子點(diǎn)材料的晶格常數(shù)沒(méi)有適配關(guān)系,從而大大提高了襯底和量子點(diǎn)材料組合的自由度,呈現(xiàn)出普適特性;同時(shí),二維材料的面內(nèi)對(duì)稱性對(duì)量子點(diǎn)材料的晶格取向具有誘導(dǎo)作用。二維材料各異的表面性質(zhì)則為量子點(diǎn)的形貌調(diào)控提供了新的自由度(圖2)。
 
  基于該方案,研究團(tuán)隊(duì)成功在4種二維材料(hBN、FL mica、MoS2、graphene)上制備了5種不同的量子點(diǎn),包括4種III-V族的化合物半導(dǎo)體InAs、GaAs、InSb、GaSb和1種IV-VI族的化合物半導(dǎo)體SnTe,襯底和量子點(diǎn)組合共計(jì)20種。量子點(diǎn)種類受限于分子束外延(MBE)源材料種類,而非襯底,證實(shí)了外延方案的普適特性。研究團(tuán)隊(duì)在晶圓級(jí)尺度上完成了量子點(diǎn)的范德華外延制備,呈現(xiàn)出較好的尺寸均勻性和分布均勻性,且在較小的襯底溫度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)密度4個(gè)數(shù)量級(jí)的變化。此外,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)制備光電探測(cè)器,拓寬了器件的響應(yīng)光譜范圍,證實(shí)了在范德華外延制備的0D/2D混維異質(zhì)結(jié)中界面載流子的有效輸運(yùn)。該外延方案天然構(gòu)筑的量子點(diǎn)/二維材料體系為研究混維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)新平臺(tái),將有助于拓寬低維量子系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。
 
  該成果以“Epitaxial growth of quantum dots on van der Waals surfaces”為題發(fā)表于《自然-合成》(Nature Synthesis)(DOI: 10.1038/s44160-024-00562-0)。半導(dǎo)體所博士生辛凱耀、博士李利安和北京大學(xué)博士后周子琦為論文共同第一作者,半導(dǎo)體所劉峰奇研究員、翟慎強(qiáng)研究員、魏鐘鳴研究員和中國(guó)人民大學(xué)劉燦副教授為該論文的共同通訊作者,論文合作者包括北京大學(xué)劉開(kāi)輝教授、半導(dǎo)體所張錦川研究員、劉俊岐研究員、鄧惠雄研究員等。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及中國(guó)科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)等項(xiàng)目的資助。
 
圖1 InSb量子點(diǎn)在MoS2表面的范德華外延生長(zhǎng)
 
圖2 量子點(diǎn)范德華外延生長(zhǎng)方法的普適

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