（光学专业论文）锗硅核壳型纳米线器件量子输运性质的实验研究.pdf

摘要 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a n d r e e v 反射所增强。因而出现了a n d r e e v 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a n d r e e v 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 i 摘要 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a n d r e e v 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。 关键词：锗硅核壳型纳米线，磁输运，弱反局域化，量子点，安德列耶夫反射， 超导电极 a b s t r a c t l _ _ _ 一 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h el o wt e m p e r a t u r eq u a n t u mt r a n s p o r tp r o p e r t i e so fh o l e si ng e s i c o r e s h e nn a n o w i r ed e v i c e sw e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y b ym e a s u r i n gt h ew e a k a n t i l o c a l i z a t i o no ft h eh o l e si ng e s ic o r e s h e l ln a n o w i r e sa n da n a l y z i n gt h ed a t a ，s e v - e r a lk i n d so fr e l a x a t i o nl e n g t h so ft h eh o l e sa n d t h es p i n - o r b i tc o u p l i n gs t r e n g t ho ft h i s s y s t e mw e r ee s t i m a t e d b ym e a s u r i n gt h eq u a n t u m a n dm a g n e t i ct r a n s p o r tp r o p e r t i e s o fs u p e r c o n d u c t o rc o n t a c t e dg e s ic o r e s h e l ln a n o w i r eq u a n t u md o td e v i c e s ，t h ei n t e r - a c t i o n sb e t w e e ns u p e r c o n d u c t i n gs t a t e si nl e a d sa n de n e r g yl e v e l si nq u a n t u m d o t sw e r e s t u d i e d t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 i n t r o d u c e dt h ep h y s i c a lc o n c e p t sa n dp r i n c i p l e s ，w h i c hw e r er e l a t e dt ot h ew o r k m e n t i o n e di nt h i st h e s i sb a s e do ng e s ic o r e s h e l ln a n o w i r e s 2 b r i e f l yi n t r o d u c e dt h em i c r o n a n o f a b r i c a t i o np r o c e s s e s ，w h i c hw e r e u s e dt of a b - r i c a t et h es a m p l e si nt h i st h e s i s p r e s e n t e dt h ed e t a i l e dr e c i p e sw eu s e dd u r i n g t h e s a m p l ep r e p a r a t i o na n df a b r i c a t i o n 3 s t u d i e dt h el o wt e m p e r a t u r ew e a ka n t i l o c a l i z a t i o no f h o l e s i na ni n d i v i d u a lg e s i c o r e s h e l ln a n o w i r e t h ef i t t e dr e l a x a t i o np a r a m e t e r sa n ds p i n - o r b i tc o u p l i n g s t r e n g t hi nt h i ss y s t e mw e r ef o u n d t ob ee f f e c t i v e l yg a t et u n a b l e 4 i i lt h ew e a kc o u p l i n gl i m i t , i n v e s t i g a t e dt h et r a n s p o r tp r o p e r t i e so ft h eg e s i c o r e s h e l ln a n o w i r eq u a n t u md o t sc o u p l e dt os u p e r c o n d u c t i n gl e a d s t h es i n - g l eh o l et u n n e l i n gw a sf o u n d t ob eb l o c k e db ys u p e r c o n d u c t i n gg a p si ns o u r c e a n dd r a i n l e a d so ft h eq u a n t u md o t 5 i nt h es t r o n gc o u p l i n gl i m i t , i n v e s t i g a t e dt h et r a n s p o r tp r o p e r t i e so ft h eg e s i c o r e s h e l ln a n o w i r eq u a n t u md o t sc o u p l e dt os u p e r c o n d u c t i n gl e a d s t h es i n g l e h o l et u n n e l i n g ，w h i c hs h o u l db eb l o c k e db yt h es u p e r c o n d u c t i n gg a p si ns o u r c e a n dd r a i nl e a d s ，w a se n h a n c e db ya n d r e e vr e f l e c t i o n sb e t w e e nt h eq u a n t u md o t a n dc o n t a c t s t h u sa na n d r e e vr e f l e c t i o ne n h a n c e dp h a s ec o h e r e n ts i n g l eh o l e t u n n e l i n gt r a n s p o r tb e c a m ea v a i l a b l e 6 i ns u p e r c o n d u c t o rc o n t a c t e dg e s ic o r e s h e l ln a n o w i r eq u a n t u md o t s ，e x p e r i - m e n t a l l yo b s e r v e dh i g ho r d e rc o t u r m e l i n gs p e c t r o s c o p ya n dn e g a t i v ed i f f e r e n t i a l i a b s t r a c t c o n d u c t a n c e ，w h i c hw o r ei n d u c e db ya n d r e e vr e f e c t i o n sa n dd i s a p p e a r e da f t e r s o u r c ea n dd r a i nl e a d sl o s ts u p e r c o n d u c t i v i t y 7 s u m m a r i z e dt h ea b o v ee x p e r i m e n t a lw o r k , a n de m p h a s i z e dt h ei m p o r t a n c eo f o u rw o r k g a v es o m es u g g e s t e di m p r o v e m e n t sa n dp e r s p e c t i v e sf o rf u t u r ee x - p l o r a t i o n so ng e s ic o r e s h e l ln a n o w i r e s t h em a i ni n n o v a t i o n so ft h i st h e s i sa r e ： 1 f o rt h ef i r s tt i m e ，s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h e q u a n t u ma n d o rm a g n e t i ct r a n s - p o r tp r o p e r t i e so fg e s ic o r e s h e l ln a n o w i r ed e v i c e sa tl o wt e m p e r a t u r e s 2 d e d u c e dt h e s p i n o r b i tc o u p l i n gs t r e n g t hi n g e s ic o r e s h e l ln a n o w i r e sa n ds h o w e d t h es p i n o r b rc o u p l i n gs t r e n g t hc o u l db ee f f e c t i v e l ym o d u l a t e db ya ne x t e r n a l e l e c t r i c a lf i e l d s u g g e s t e dg e s ic o r e s h e l ln a n o w i r e 嬲ac a n d i d a t ep l a t f o r mf o r d e s i g n i n gf u t u r es p i n t r o n i c sa p p l i c a t i o n s 3 i n v e s t i g a t e dt h es u p e r c o n d u c t o rc o n t a c t e dq u a n t u md o t sb a s e d o ng e s ic o r e s h e l l n a n o w i r e si nd i f f e r e n tc o u p l i n gr e g i m e s g a v eaf u r t h e ru n d e r s t a n d i n go fi n t e r - a c t i o n sb e t w e e ns u p e r c o n d u c t i n gs t a t e si ns o u r c ea n dd r a i nl e a d sa n dt h ee n e r g y l e v e l si nq u a n t u md o t s 4 b a s e do ne x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，p r o p o s e dat r a n s p o r tm e c h a n i s mo fa n d r e e vr e - f l e c t i o ne n h a n c e dp h a s ec o h e r e n ts i n g l eh o l et u n n e l i n gt h r o u g hq u a n t u md o t ， w h i c hw a sn o tr e p o r t e db e f o r ee i t h e ri ne x p e r i m e n to ri nt h e o r y k e y w o r d s ：g e s ic o r e s h e un a n o w i r e ，m a g n e t o t r a n s p o r t ，w e a ka n t i l o c a l i z a t i o n ，q u a n t u md o t ，a n d r e e vr e f l e c t i o n ，s u p e r c o n d u c t i n gl e a d s i v 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工 作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对 本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即： 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：茎圣丝 沙，一年歹月z o 日 第l 章绪论 第1 章绪论 人类对自然界的好奇心驱使大家对物质微观结构和性质进行探索。得益于 这几十年来各种化学生长技术和微纳米加工技术的高速发展，人们开始有更好 的条件定制自己需要的材料和结构，并在这些材料和结构上进行各种电学、光 学、力学等性质的科学研究。而这些微观材料和结构的研究，带来的不仅是对 自然界规律更深和更细的认识与掌握，也为我们的日常生活带来了巨大的改进 和变革。 随着基础研究和应用逐渐走向小尺度的材料和器件，“纳米”这个词已经 不仅限于科研领域，更被广大的公众所认识和了解。整个纳米科学、纳米技术 也在近几年里得到了飞速的发展，并涉及到了现代科学的各个领域。在电子 学、光学、力学、化学、材料科学、计算机科学、生物科学等各个当今重要领 域和方向上，都离不开纳米科学和纳米技术的贡献。而在众多纳米材料和纳米 器件中，各种半导体纳米线( l i e b e r , 2 0 0 3 ；l ua n dl i e b e r ，2 0 0 6 ) 和量子点( h a n s o n e ta l ，2 0 0 7 ；k o u w e n h o v e ne ta 1 ，1 9 9 7 b ) 的研究又显得尤为重要。本章将针对本论 文中涉及到的纳米线、量子点以及超导材料的某些电学特性进行概念上的简单 介绍。 1 1纳米线 纳米线是指一系列尺寸在纳米量级，尤其是半径在纳米量级的半导体或金 属材料。纳米线作为一种独特的系统能让人们以其为平台进行各种纳米尺度奇 特现象的研究，也在将来实现各种电子学、光电子学、分子探测器等应用中扮 演了极其重要的角色。 纳米线的生长一般需要一个纳米尺度的催化颗粒，然后通过化学气相沉 积的办法，使得所需要的材料沿着这个催化颗粒进行生长( m o r a l e sa n dl i e b e r ， 1 9 9 8 ) 。然后还可以通过控制生长条件，比如温度、时间、压力、气流量、气流 方向等，实现轴向纳米线异质结( g u d i k s e ne t a l ，2 0 0 2 ；w ue t a l ，2 0 0 2 ；y a n ge t a l ， 2 0 0 5 ) 和径向纳米线异质结的生长( l a u h o ne t a l ，2 0 0 2 ；l ue t a l ，2 0 0 5 ；q i a ne t a l ， 2 0 0 5 ) 。各种纳米线被广泛应用子各种传统器件的实现上。比如：场效应晶体管 ( c u ie ta 1 ，2 0 0 3 ；l i a n ge ta 1 ，2 0 0 7 ；w a n ge ta 1 ，2 0 0 3 ；x i a n ge ta 1 ，2 0 0 6 a ) 、单电子 晶体管( d ef r a n c e s c h ie ta 1 ，2 0 0 3 ；l ue ta 1 ，2 0 0 5 ；z h o n ge ta 1 ，2 0 0 5 ) 、量子点( n u e ta 1 ，2 0 0 7 ；r o d d a r oe t a l ，2 0 0 8 ；y a n ge t a l ，2 0 0 5 ；z h o n ge t a l ，2 0 0 5 ) 等。此外，也 可以通过各种办法( l ua n dl i e b e r ，2 0 0 6 ) ，使得纳米线按需要的方向进行生长， l 第1 章绪论 并形成阵列( h u a n ge ta l ，2 0 0 1 ；w h a n ge la 1 ，2 0 0 3 ) ，从而可以做出各种应用器 件。然后就可| 三【通过一些编码办法( y a h 4 ；“a 1 ，2 0 0 5 ) 来进行集成。可以说t 纳 米线的应用覆盖了基础科学研究以及实际应用的各个领域。前面列出的也只是 与其电学性质有关的一部分。 1 2 锗硅核壳型纳米线 b l- 鱼! 墨! c b 圈1 1 锗硅核壳型纳米线横截面圈、能带结构示意图和透射电子显微 镜照片( 白色标尺长度为5 a m ) 。图片引自l ue t a lc 2 0 0 5 ) 。 锗硅核壳型纳米线作为纳米线中的典型代表，首先由l u “( 2 0 0 5 ) 成功 生长。此纳米线的结构如图1 i 所示，内芯为锗，外壳为硅。由于锗硅之间价带 有高达5 0 0 m c v 的不匹配，因此在锗核中会出现空穴的积累，从而使锗硅核壳 型纳米线成为空穴型导电材料( l u 盯a l ，2 0 0 5 ) 。 在锗硅核壳型纳米线生长出来以后，前人已经在此材料上进行了很多有意 义的研究工作。比如基本输运性质的研究皿ue l a l ，2 0 0 5 ) ，加工成表现非常棒 的场效应管的研究( l i a n ge l 口j ，2 0 0 7 ；x i a n g e i a l ，2 0 0 6 a ) ，形成量子点后自旋态 的研究( r o d d a r o “a l ，2 0 0 8 ) ，职量子点的探测( i ue t a l ，2 0 0 7 ) ，由超导材料做 电授后彤成超导电流的研究( ) ( i a n g “a 1 。2 0 0 6 b ) 等。这些研究工作覆盖面如此 之广，也说明锗硅核壳型纳米线在基础研究和实际应用上的潜在价值是不可忽 视的。因此，非常有必要进一步对此系统的特性以及它与其他系统混台时的特 性进行深入的研究与探索。本论文就是以锗硅核壳型纳米线为平台，研究其中 的自旋轨道相互作用以及纳米线与超导电极作用的情况。为此新* 纳米材料 的发展提供了众多有力的支持，也为介观尺度一些基本问题的理解进行了补充。 2 苎! 兰堕丝 1 3 电控量子点 由于量子点中能级结构可由样品生长、加工过程中的条件或者外加电磁场 等人为的方式进行控制和调节，因此量子点也被称作人造原子( i a f l s o ne ta 1 。 2 0 0 7 ；k o u w c n h o v c n e t a z 9 9 t a ) 。各种形式的量子点中，电学控制的量子点以 其所表现出的方便可控性以及其潜在的可集成性，吸引了大量研究者的注意。 电控量子点不仅成为了实现固态量子计算最可能的候选者0 - o 站a n d d i v i n c c r e o ， 1 9 9 8 ；p e t t a “a ，2 0 0 5 ) ，也在基础研究中扮演了重要角色o o u w c n h o v e ne t 缸。 1 9 9 7 。 1 3 1 电控量子点的基本结构 a 1l a 嘲柚 f b 、v c r d c a l q u a n t u m d o l 田1 , 2 横向量子点与纵向量子点示意圈。图片引自k o w o v e n h o v e n e t a l ( 1 9 9 7 b ) 。 圈l2 中所示的是两种类型的电控量子点一种是被研究较多的横向量子 点结构( p e a “a 1 ，2 0 0 5 ) ，另一种是纵向量子点结构。电控量子点的构成一般分 为源电极、漏电极和量子点本身，其整体尺寸一般在i o o n m 的量级。其中源 漏电极作为电子库，提供足够多的电子，与量子点之间分剐通过两个隧穿势垒 隔开。量子点内部，则因为限制势和量子化的原因形成分立的能级结构。源漏 电扳与量子点内部电荷的交流并不是直接发生的而是必须隧穿经过源渭电极 与量子点之间的势垒。般要求隧穿率非常小，并小于量子点中的有效能级 劈裂。才可| ；i 。在测量时，源漏之间的直流偏压一w 可以用来调节源漏电极 中费米面的相对高低。而量子点中的能级位置则通过一个伸入到量子点中心的 电极( p l u n g e r g a t e ) 调节。一般情况源漏电极到量子点的隧穿势垒也可以通过 相应的栅电极来调节。 就是l 32 * 中蔓提封考戽充电电后的有散醣墩蛘 3 蹙。一 函盏湖 第1 章 绪论 1 3 2 库仑阻塞 在研究量子点的电输运性质时，一般都会涉及到库仑阻塞问题。在考虑量 子点中有效能级结构时，除了需要考虑量子点中本身由于限制势形成的一系列 分立能级，还必须考虑量子点中每增加一个电子引起的电子间库仑相互作用带 来的能量。这时，可以很方便的用常相互作用模型( c o n s t a n ti n t e r a c t i o nm o d e l ， c im o d e l ) 来讨论( k o u w e n h o v e ne ta 1 ，1 9 9 7 b ) 。常相互作用模型的核心思想是 认为量子点中电子的相互作用以及它们与源漏电极、栅电极等环境的相互作用， 可以用一个常数电容魄来描述。通常情况下，总电容国是源极和量子点间的 耦合电容g 、漏极和量子点间的耦合电容q 以及栅极和量子点间的耦合电容 g 的并联。因此有： 侥= g + 劬+ g 。( 1 1 ) 通过计算量子点中有一1 个电子时的总能量，以及每填入一个新电子后 总能量的变化( k o u w e n h o v e ne ta 1 ，1 9 9 7 b ) ，我们发现当填入第个电子时，除 了要提供量子点里本身能级上第个能级与第一1 个能级之间的能量差既 以外，还需要提供一个所谓的充电能： p 2 u = ， ( 1 2 ) l e 这里，e 为单位电荷电量。因此，第个电子要进入量子点，必须至少有： 户2 m = a 既+ u = a 风+ ( 1 3 ) u e 的能量。 现在我们来考虑电子怎样从源极或者漏极进入量子点。首先，只有考虑了 上述充电能【厂的情况下的量子点能级比到源极或漏极费米面地和脚低，并且 此能级没有被电子填充时，才会有电子跳入；量子点能级比到源极或漏极费米 面地和鼬高，并且此能级有电子填充时，此电子就会跳出到量子点外的源极 或者漏极；当源漏电极的费米面均比量子点中已填充的能级要高，但是又都比 未填充的能级低时，电子就既不会从源漏电极跳入量子点，也不会从量子点中 跳出到源漏电极。因此，只有当量子点中考虑了充电能u 的能级恰好落在源漏 费米面之间时，才会有电子持续从一个电极跳到另一个电极，从而形成电流。 由1 3 1 节中介绍，量子点的具体能级位置可以由栅电极调节，因此当我们固定 源漏电极间偏压并保持很小时，扫栅电极电压，就会出现量子点中的能级依次 落入到源漏费米面之间，从而形成振荡型电流信号。由于一般量子点中充电能 u 要远大于量子点本身的能级间隔a e ，因此一般情况也只考虑充电能的作用。 4 第l 章绪论 b a c kg a t ev o l t a g e ( v ) 图1 3 实验中测得的源漏真流偏压k d p c 为零时，餐孑点的微分电 导讲d v 随栅极门电压的变化关系衄线( 库仑振荡曲线) 。实 验中固定源漏偏压为零，扫描越予点栅电极电匿，同时测量通 过量子点源漏电极的微分电导。 这时，量子点中的能级闯隅近似为等间距的。由于充电能汐是由库仑相互作用 引起的，因此t 述的振荡型电流信号也被称作库仑振荡。而由于充电能作期导 致电子无法进入量子点的效应，被称为库仑阻塞( c o u l o m bb l o c k a d e ) 。图1 3 中给出的就是实验中测量得到的库仑振荡。测量时固定源漏曳漉偏压一骝为 零，扫描量子点栅电极电压圪，并在量子点源漏电极加一个很小的交流电压， 同时测量通过量子点源漏电撖的交流电流。这样得到了在量子点栅极电压连续 变化过程中，鲞子点零源漏偏压处的微分电导值a i e v ( 其实也是电导值) 。 可以看到，图t ，爨予点的微分电导值随着栅电压的变化，出现了一系列的峰值 和零电导交替振荡的曲线，在峰谴处，对应爨子点中能级恰好落入刘源漏电极 的费米丽之阀，源漏电极的电子可以连续隧穿通过嫠予点而形成电流；相反的， 存零电导区，对应量子点中没有任何一个能级藩入到源漏电极的费米面之阃， 因此没有电予可以连续隧穿通过餐予点而形成电流。另外，可以发现各个峰之 间的距离几乎一样，这也说明橱电极和量子点的耦合电容g 为常数，并且量子 点本身的能级劈裂远小于充电能：a e 。而库仑振荡中备个库仑峰的高度， 与量子点所处的区域和其中每个能级波函数与源漏电极费米面的交叠程度有关 ( k o u w e n h o v e ne t 以，1 9 9 7 b ) 。 5 一基一qqc彤poo冒coq一付茹c-ld|一a 第1 章绪论 g a t ev o l t a g e ( v 圈1 4 盘验中删得的量子点微分电导d 1 d v 随源漏直流偏压k d - d c 和栅檄门电压k 的变化彩圈( 庳仑菱彤图) c 实验一f d 每个栅 电檄电压娃扫描源漏直流偏压，并同时测量量子点的微分电 导。 除7f 。述通过栅电极电压的变化柬调节量了点中能级使其蓿入或落出源 龋赞米面之间外也可以通过改变源漏费米而的位置来实现。通过调节有流偏 压柬改变源漏电极费米面的差值，可以使其之问包禽或者不包含最子点叶i 的 能级( h a n s o np ，a l 2 0 0 7 ；k o u w c n h o v e ne t 以，1 9 9 7 b ) 。当量子点处在库仑阻塞区 时。通过增大源漏偏压来增加源漏费米面的差值会使术来落在源漏费米嘶之 外的量子点中的能级进入到源漏费米面之间，从而出现连续电流信号。我们 也可以同时政变谭镉直流偏压和栅电极电压来观察库仑振荡和阻塞现象。在 这种方式下，会在通过量子点的电流或者量子点的镑 分电导对埠漏直流偏压 和栅极门电压的：维等高线圈上观察到所谓的库仑菱形( c o u l o m bd i a m o n d ) f k o u w c n h o v c n “a l ，1 9 9 7 b ) 图i4 中所示的就是实验中通过步进船极门电j 卡k 扫描源漏直流偏压k d d o ，并哪时像图13 中一样测量样品微分电导d s l a l ，樽 到的库仑菱形阁。酗巾黑色的部分就是被库仑阻塞的区域。在此区域内，量f 点中的单电r 进绒隧穿过程被阻断。嘶圈中的蓝白色的区域是来被库仑阻塞的 陋域，此状畚 蚺子点中至少有一个能级落在了源漏电极之间。 需要指山的娃，图i4 这种库仑菱形陶。 可以读出非二常多的信息。由库仑 菱形沿源漏直流偏艇- ：一删= 0 a 向的n j 距( 或者周期) 可以得到栅电极对盆 ， 的电袢猫台强度( ：巾库仑菱形在源漏直流偏压方向的i 翻度，可以褂到量 6 2 1 1 0 o 一j一口j刁 。 第l 章绪论 子点的充电能u ，并根据式( 1 2 ) 算出量子点的总电容量魄；由库仑菱形两相 邻边的斜率，可以分别得到源漏电极对量子点耦合电容g 和q 与量子点总电 容魄的比例关系，从而由已经得到的g 值分别得到g 和仍的大小；由相邻 库仑菱形的在源漏直流偏压方向的高度差，可以得到量子点自身的能级劈裂大 小e ；根据源漏直流偏压k d d c = 0 处库仑峰的大小，可以估出量子点的总 隧穿率，并由之前得到的源漏电极与量子点的电容耦合强度分别得到源漏电极 对量子点的隧穿率l 和n ；由库仑菱形外边缘上的高微分电导线在源漏直流 偏压方向上的位置，可以得到量子点各个态激发态对应的能量；当磁场存在时， 可以从库仑菱形外边缘的高微分电导线在源漏直流偏压方向上的位置分析出自 旋劈裂大小等等( h a n s o ne ta 1 ，2 0 0 7 ；k o u w e n h o v e ne ta 1 ，1 9 9 7 b ) 。 可以发现，库仑阻塞效应和库仑振荡谱在量子点电学性质的研究中起了非 常重要的作用。 1 3 3k o n d o 效应 由于本论文后面的部分会提到量子点中的k o n d o 效应，现在先对它进行一 些简单的介绍。 k o n d o 效应首先是被理论所预言的( k o n d o ，1 9 6 4 ) ，随后在众多体系中被观 察到，其中也包括我们要讨论的半导体量子点体系( c h e ne ta 1 ，2 0 0 4 ；c r o n c n w e t t e ta 1 ，1 9 9 8 ；g o l d h a b e r - g o r d o ne ta 1 ，1 9 9 8 ；j e o n ge ta 1 ，2 0 0 1 ；p a a s k ee ta 1 ，2 0 0 6 ； s a s a k ie ta 1 ，2 0 0 0 ) 。k o n d o 效应的物理图像是：在低温下，由于强相互作用，导 体中由磁性杂质形成的局域电子与传导电子相互耦合，形成动态的自旋单态， 从而增加了样品的电导。观察到k o n d o 效应一般要求样品温度在k o n d o 温度 玖以下。对于半导体量子点体系，量子点中未配对的电子，就可以充当局域 电子的角色。在电控量子点里，除了要求温度足够低，小于k o n d o 温度玖外， 还要求量子点与电极间的耦合足够强，这样才有利于形成k o n d o 态。在实验上， 一般看到的与k o n d o 效应有关的特征现象有以下几个： 1 单电子隧穿过程与量子点中的电荷数有关，只有在电荷数为奇数的情况 下，才会形成局域自旋，从而出现k o n d o 效应； 2 在普通的偶数电荷数处，没有k o n d o 现象，会发现库仑振荡低谷处的电导 随着温度的降低而降低。但对奇数电荷数处，由于k o n d o 效应，电导反倒 会随着温度的降低而升高； 3 在奇数电荷数处，有k o n d o 效应时，会发现在库仑震荡低谷且源漏偏压为 零处，有一个微分电导峰。表示在源漏偏压为零处，由于量子点中的局域 7 第】章绪论 电荷与旁边源满电极都可以形成了k o n d o 态从而使得此处撤分电导增 加； 4 增加磁场时，会发现随着自旋的劈裂，零源漏偏压娃的k o n d o 峰也会发生 劈裂。 其它与k o n d o 效应有关的理论和实验现象与车论文关系不大不再详述。 1 3 4 高阶共隧穿 在奉论文第6 章中，会重点讨论锗硅核壳型纳米线量子点在源漏电极为超 导材料时出现的高阶菸隧穿现象。这里先简单介绍下普通材料傲源谓电极的量 子点中的共隧穿现象。 由i3 2 节中的介绍，我们知道当考虑了充电能之后，如果量子点中的能 级都没有落到源漏电极之间时，隧穿过程是不可能发生的。也是因此才将此现 象叫做库仑阻塞但实际上，这是在没有考虑高阶过程情况下的近似。当量子 点与旁边的潭漏电极耦合非常强的时候就会出现源极( 渭极) 的电蒋通过一 个虚的状态，跳到漏极( 源极) ，从而形成通过量子点的电流。当完成这个过程 后如果量子点中的电荷态没有改变就叫做弹性共隧穿过程：如果量子点中 的电荷态由基森跳到了激发态，就叫做尊弹性共隧穿过程( d e f r a n c e s c h ie t a l 2 0 0 1 ；k o u w e n h o v e n e t a l ，1 9 9 7 b ；z u m b f i h l “a 1 ，2 0 0 4 ) 。需要指出的是，非弹性共 蹉穿并不是能量不守恒的。如果只看初态和末态，那么系统总能量也是守恒的。 只不过对于量子点来说，能量发生了变化，因此叫做非弹性共隧穿它与弹性 共隧穿一样都经历了一个能量不守恒的中间态但因为这个中间态存在的时 间很短，根据能量时间的不确定关系这样的过程是可以发生的。下面我们 来看下弹性共隧穿和非弹性共隧穿的具体过程。 i ) k m c 咖m n 田1 s 量子点中高阶弹性共隧穿过程示意图 弹性共雕穿过程的示意图见图l5 。在隧穿前如图1s ( a ) 所示左边电极 费米面附近有一个电子将要瞒八到量子点中的基春上。而量子点中基态已经被 8 第1 章绪论 一个电子占据了。因此在这个电子离开之前左边电极上的电于是无法进入的 这时就会发生左边电极费米面上电子虢入量子点基志的同时。量子点基态上原 有的电子跳到了右边电扳的费米面上最终形成盈1 5 所示的状态。如果我 们看整个过程，量子点的能缎填充状况其实没有改变只是左边电极的电子通 过共隧穿来到了右边电板从而形成了电流这种弹性共隧穿，一般只会在源 渭值压比较小的时候发生。也就是发生在圈1 中所示的库仑菱形中央源漏直 流偏压一时0 的区域( d e f r a n c e s c h i e t a l 。2 0 0 1 ) 。 釉b c f m e m t qc o ) - k _ l 地 圈1 6 量子点中高阶非弹性菸隧穿过程示意图 我们再来看非弹性共隧穿的过程的示意图( 圈i 6 ) 在发生隧穿之前，如 圈l 删所示，左边电投费米面上会有一个电子准备跳八量子点中的撤发态上 但是由于库仑阻塞的作用，这个电子是不可能直接进来的。因此，在它眺入量 子点激发态的同时t 量子点中基寿的电子会鳊出量子点，井到选量子点右边电 极的费米面整个系统最后变成圈1 6 0 ) 所示的状态可以看出整个过程相当 于量子点左边电极费米面上的电子损失6 e 的能量后跳到右边电掇的费米面 上，并形成电流。而将量子点由基舂激发到了比基态能量高6 f 的散发卷上因 此整个系统的能量还是守恒的但是，非弹性共隧穿过程的发生需要一个条件， 那就是源漏偏压提供的能量要大于或等于量子点中基态澈发态的能量差6 e 具 体到实验中，就是在类似圈1 鼻库仑菱中，源漏直藏偏压i - 一w i = 6 e e 处 看到两条高微分电导的线。由于非弹性共隧穿发生的条件与量子点中匏级结构 有关，而量子点中的能级结构一般又可以由门电压进行调节因此经常会看剜 库仑菱形中非弹性共隧穿的高搬分电导峰并不是与v k 一胛= 0 平行的，而是对 门电压有一定的依赖关系( d e f r a n c c s c , h i c t a l , 2 0 0 1 ；z u m b i i h le t a l 2 0 0 4 ) 由于高阶共隧穿过程可| 2 i 表现出量子点里的能级结构，因此常常被用作探 索量子点中能级的有效手段 9 1 4 超导体的基本电学性质 由于本论文很大一部分将与超导电极傲源漏电极的锗硅核壳型纳米线量子 点有关，我们先简单介绍下超导材科和普通材料( 如锗硅半导体材料) 接触时 的一些基本物理概念和过程。 1 4 1b c s 超导电性理论 + 章 圈1 7( a ) 超导体( 左) 和正常金属( 右) 费米面附近能量态密度 示意图( 超导体中在费米面坼一附近打开2 的能隙) 。 a n d r c c v 反射示意图。入射电子被返回为动量自旋相反的空穴， 井在超导体中形成一对c o o p e r 对( 白色空心球代表空穴；蓝 色实心球代表电子) 。 首先，由b c s 超导电性理论( a a r d e e ne t 以，1 9 5 7 ) 可以知道，由于电子一声 子相互作用，电子一电子会在超导材料中产生吸引相互作用。当此作用足够强 时，电子间就会相互配对。此时，费米面表面附近动量相反、自旋方向也相反 的一对电子会组成束缚态，即c o o p e r 对而c o o p e r 对中两个电子在运动过程 中，虽然经过散射，但是保持总动量不变，因此出现超导体中的标志性的零电 阻现象。由于电子间配对，使得c o o p e r 对能量较配对前两个单电子的总能量 低。因此，如果要拆散一对c o o p e r 对，就需要至少2 的能量。这个2 的能 量则称之为超导体中的准粒子能隙。因此在能谱上超导体与普通导体有很大 差别，具体可见图1 7 0 ) 中超导体和普通导体的态密度示意图。在超导体中， 电子库与空穴库之间存在一个大小为2 a 的能隙而普通导体中，电子库上方 直接就是空穴库。在此能隙以下的状态被电子填满，在此能隙以上的状态空着。 而在2 a 之间的能量范围内不存在态密度，也就没有单独电子可以存在。值得 l o 第1 章绪论 注意的是，在考虑图1 7 ( a ) 中超导体态密度时，除了需要考虑e f 一下方的电 子和e p + 上方的空穴外，还需要考虑费米能级西上凝聚的c o o p e r 对。在 超导体中增加能量，可以使c o o p e r 对被拆散而破坏超导特性。从而有临界温度 疋，临界电流密度j 。和临界磁场b c 。它们分别对应与温度，电流密度和外磁场 大于某个值时，材料将失去超导电性，而变回正常态。瓦、九、鼠是与材料有 关的量。 1 4 2 约瑟夫森效应和a n d r e e v 反射 当两个超导体之间夹有很薄的一层非超导体时，就会形成约瑟夫森 ( j o s e p h s o n ) 效应。由于邻近效应，两边超导体中电子波函数会扩散到中间 非超导体中，而使得超导电流可以流过整个约瑟夫森结，形成约瑟夫森电流 ( j o s e p h s o n ，1 9 6 4 ) 。形成约瑟夫森效应要求超导体和非超导体界面没有明显的隧 穿势垒，或者说载流子在此界面处有较大的隧穿率。 在超导和非超导体，比如普通金属或者半导体，接触的时候，会在界面处 发生一种特殊的反射，称为a n d r e e v 反射( a n d r e e v ，1 9 6 4 ) 。基本过程为，一个 非超导体中的电子运动到超导一非超导体界面处时，反射回一个动量、自旋都 与入射电子相反的空穴，并在超导体内产生一对与入射电子动量相同的c o o p e r 对( 如图1 7 ( b ) 所示) 。值得指出的是，a n d r e e v 反射本身是能量守恒