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厦大物理宽禁带半导体团队在量子点电子态和自旋态操控领域取得重要进展

2024/2/1 9:34:46      材料来源:厦大物理

近日,厦门大学宽禁带半导体团队基于扫描隧道探针技术在量子点电子态和自旋态操控领域取得重要进展,相关成果以“Manipulations of electronic and spin states in Co-quantum dot/WS2 heterostructure on a metal-dielectric composite substrate by controlling interfacial carriers”为题发表于《Nano Letters》上。

电荷和自旋是载流子的两种固有属性,几乎决定着材料中所有的物理过程和操作原理,是现代信息技术发展的基石。多种高运算速度、低功耗、非易失性的新型电子器件在此基础上应运而生。尤其随着摩尔定律的不断推进,在量子尺度上实现电荷和自旋的操控,观测并理解其微观物理过程,对于自旋电子学的发展和自旋电子器件的实际应用而言至关重要。

厦门大学宽禁带半导体团队借助扫描隧道探针技术,并设计采用金属介质复合衬底,实现了对Co量子点/WS2异质结电子态和自旋态的调控。

图1. 基于扫描隧道探针技术的电子与自旋态操控

本工作首先采用化学气相沉积(CVD)方法制备了WS2薄膜并转移至金属介质复合衬底,而后通过原位分子束外延(MBE)技术在其表面生长全同的Co量子点,形成耦合异质结构。该体系为电子态和自旋态操控提供了优异的研究平台。本工作的主要创新思想在于金属介质复合衬底的设计和扫描隧道探针的电子注入。复合衬底的引入可显著增强界面势垒,并结合扫描隧道探针的载流子注入,使载流子在Co量子点/WS2异质结与衬底之间形成有效的空间积累,进而实现量子点的电子与自旋态的调控。

研究发现,使用非磁性探针在单极性偏置的多次扫描、偏置极性切换以及施加脉冲等多种方式下,可使Co量子点的电子态形貌在亮态和暗态之间进行规律且可重复的转换,且在切换偏压极性时,量子点的电子态发生了滞后的转变现象(图2)。第一性原理计算表明,量子点电子态的转变归结于载流子注入及其界面积累所导致的量子点量子能级的移动(图3)。

图2. 非磁性扫描探针对全同Co量子点电子态形貌的调控

图3. 正负偏压下界面势垒及Co量子点/WS2异质结投影态密度的演变

 该电子态的有效调控为实现量子点自旋态的操控提供了可能。团队进一步通过磁性扫描探针进行自旋极化载流子的注入和积累,并发现了不同于非磁性探针作用下的电子态形貌转变,即随着磁性镍探针的持续自旋注入(图4),处于占据态的量子点自旋态表现出亮态到暗态进而又返回暗态的连续调控效应;而处于未占据态的量子点自旋态表现出相反的变化过程。第一性原理计算揭示了该量子点自旋态的变化是由于载流子积累导致的磁各向异性能的演变(图5)。

图4. 磁性扫描探针对全同Co量子点自旋态形貌的调控

图5. 第一性原理计算Co-QDs/WS2的自旋电子特性

本工作表明金属-电介质复合衬底成功地构造了载流子积累的界面电势,结合扫描隧道探针技术实现了量子尺度下电子态和自旋态可控的电调制。这些结果将促进量子体系中电子与物质相互作用的探索,并为推动自旋电子学的发展提供创新的途径。

该工作在厦门大学物理系康俊勇教授、吴雅苹教授、吴志明教授的指导下完成,物理系博士研究生张宗南、唐唯卿博士为本文共同第一作者,该工作得到了国家自然科学基金项目的资助。

文章链接:

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04831

 

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