低维材料上量子点的制备及量子输运研究

摘要

作为准零维结构，量子点是盛装电子或者空穴的小盒子，通过其中载流子的电荷或者自旋进行编码，可以作为量子计算的基本单元-量子比特来使用。在一维和二维材料上，通过刻蚀或者加工电极进行电势束缚，可以比较容易地得到这样的量子点，因此低维材料在量子点量子计算领域中扮演着十分重要的角色。对低维材料量子点加工和输运性质的研究是推进量子计算研究的重要组成部分。本文中我们将对二维的石墨烯材料和一维的自组织锗硅纳米线材料进行研究，主要内容有:
　　1、简单介绍了量子计算的相关背景，量子点的常相互作用模型，以及单量子点和双量子点的基本输运图像，比较了不同材料体系量子比特相干性的差异，并介绍了本文涉及的锗硅材料的一些基本性质;
　　2、介绍了自组织锗硅纳米线上进行量子点加工的加工平台，操作方法以及工艺流程;
　　3、特别设计了一种新型反射式超导传输线谐振腔，并与石墨烯量子点进行耦合，研究了单个或多个石墨烯双量子点与腔耦合时对谐振腔微波信号的调制作用，给出了从谐振腔中分部提取体系特征参数的方法。从实验上用腔作为探测器获得了双量子点的相图，得到了石墨烯电荷量子比特相位退相干率，观察到了相位退相干率随量子点电荷数变化的四重周期性变化，并且证实了分别与谐振腔耦合的两个双量子点之间存在非经典的长程关联;
　　4、研究了谐振腔微波信号对石墨烯双量子点性质的影响，首先介绍了实验上标定双量子点失谐量的一种方法，然后通过直流输运和腔的幅值两种信道噪声谱的测量，由传递关系测定了石墨烯量子点的电荷噪声谱，通过观察白噪声台阶的变化证实了微波对石墨烯存在明显的加热效应。同时研究了微波功率对相干性的影响，得出了超过一定功率以后，微波加热效应将成为量子点主要的退相干来源的结论，解释了石墨烯体系在微波操作实验上的局限性;
　　5、探索更加适宜作为量子比特的新材料，经过比较，选择了自组织锗硅纳米线作为研究对象，在这种新材料上进行了单量子点的设计和制备，对基本输运性质进行了表征分析。分析了磁场下量子点各能级的劈裂情况以及在库伦菱形上的反映，结合实际测量情况选择了塞曼分裂的观测窗口，观察了体系的塞曼分裂，通过它标定了能级线对应的量子态和空穴数奇偶性，测得了g因子。
　　本论文的主要创新点在于:
　　1、设计了制备了一种具有环境噪声抑制能力的平面谐振腔;
　　2、利用腔做探测器测得了石墨烯双量子点的相图，在世界上首次获得了石墨烯的相位退相干率，并且得到了它随电荷变化的四重周期关系;
　　3、使用腔作为耦合媒介，实现了相距较远的两个石墨烯双量子点之间的非经典长程关联;
　　4、测定了石墨烯的噪声谱随微波功率的变化，证实了微波信号对石墨烯材料的加热效应;
　　5、研究了石墨烯相干性随功率的变化，发现在较小的功率下微波加热就会成为影响相干性的主要来源，指出了石墨烯材料的局限性;
　　6、完成了新材料自组织锗硅纳米线上量子点的设计制备工作;
　　7、研究了自组织锗硅纳米线量子点的基本输运性质，完成塞曼分裂的观察，能级量子态和对应空穴数奇偶性标定，测得了体系g因子。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 量子计算简介

1．1．1 量子计算的提出

1．1．2 量子计算的要素

1．1．3 量子计算的基本架构和物理实现

1．2 半导体量子点简介

1．2．1 常相互作用模型

1．2．2 单量子点输运图像

1．2．3 双量子点的输运图像

1．2．4 不同材料的量子点的相干时间

1．3 锗硅材料简介

1．3．1 核壳型锗硅纳米线

1．3．2 自组织锗硅纳米结构

1．4 本章小结

第二章 样品加工

2．1 电子束曝光系统的使用

2．1．1 电子束光刻胶

2．1．2 样品装载

2．1．3 束流测试和基本剂量设置

2．1．4 束斑调节

2．1．5 坐标体系

2．1．6 图形设计

2．1．7 写场校准

2．1．8 任务列表设置

2．1．9 定位拍照方法

2．1．10 其它

2．2 其它仪器和操作简介

2．2．2 镀膜剥离工艺

2．2．3 原子层沉积

2．2．4 氢氟酸刻蚀

2．3 工艺流程

2．4 本章小结

第三章 平面谐振腔与石墨烯量子点复合结构

3．1 平面谐振腔与石墨烯量子点复合结构的设计

3．1．1 谐振器部分

3．1．2 差分信号产生部分

3．1．3 复合结构与测试环境

3．2 复合体系的理论模型和参数提取

3．2．1 复合体系S参数的推导

3．2．2 量子点对谐振信号的调制作用

3．2．3 体系特征参数的提取

3．2．4 参数拟合的合理性分析

3．3 复合结构的实验结果

3．3．1 石墨烯相位退相干率的测定

3．3．2 复合体系共同调制效果的实验观测

3．3．3 非局域关联的证明

3．4 本章小结

第四章 微波对石墨烯量子点的影响

4．1 实验体系和参数标定

4．1．1 测量系统介绍

4．1．2 失谐量的标定

4．2 噪声谱的测量

4．2．1 电流输运测量

4．2．2 谐振腔幅值测量

4．3 微波对石墨烯双量子点的影响

4．3．1 微波的热电流效应

4．3．2 微波对电荷噪声的影响

4．3．3 微波对电荷量子比特相干性的影响

4．4 本章小结

第五章 自组织锗硅纳米线上空穴量子点自旋态的测量

5．1 样品介绍

5．1．1 纳米线的生长

5．1．2 单量子点的结构

5．2 空穴型量子点的能级结构

5．2．1 空穴量子点的形成

5．2．2 空穴型量子点的库伦菱形图像

5．2．3 磁场下的能级劈裂情况

5．3 量子点的基本表征

5．3．1 样品的基本输运曲线

5．3．2 接触电阻对能级线宽的影响

5．4．1 塞曼分裂

5．4．2 量子点g因子的提取

5．5 本章小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果