【儀表網 研發快訊】窄帶InSb半導體材料以高電子遷移率、大朗德g因子和強大的Rashba自旋軌道耦合特征而著稱，成為自旋電子學、紅外探測、熱電以及復合半導體-超導器件中的新型量子比特和拓撲量子比特的材料候選者。
由InSb制成的低維納米結構如納米線或2D InSb納米結構(或量子阱)，也因豐富的量子現象、優異的可調控性而頗具潛力。然而，InSb量子阱由于大晶格常數，較難在絕緣基板上外延生長。解決這些問題的方法之一是自下而上獨立生長出無缺陷的納米結構。通過氣-液-固(VLS)生長出的2D InSb納米片結構具有非常高的晶體質量，顯示出單晶或接近單晶的優異特性，而在以往研究中其生長過程幾乎均是起源于單個催化劑種子顆粒，因而位置、產量和方向幾乎沒有控制。
荷蘭埃因霍溫理工大學與中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心HX-Q02組特聘研究員沈潔等合作，開發出通過金屬有機氣相外延(MOVPE)在預定位置以預設數量(頻率)和固定取向/排列生長2D InSb納米結構的新方法(可控生長)，并利用低溫電輸運測量其制備而成的量子器件，觀察到不同晶體結構對應的特征結構。
在這一方法中，通過在基底上制備V型槽切口，并精確控制成對從傾斜且相對的{111}B面生長的納米線進行合并來形成納米片。納米片狀形態和晶體結構由兩根納米線的相對取向決定。TEM等分析表明，存在與不同晶界排列相關的三種不同的納米片形態——無晶界(I型)、Σ3-晶界(II型)、Σ9-晶界(III型)。后續的器件制備和輸運測量表明，I型、II型在輸運上表現出良好的性質，有較好的量子霍爾效應，出現了量子化平臺，也有較高的場效應遷移率。
與之相對，III型納米線因特殊晶界的存在，出現了明顯的遷移率降低和較差的量子霍爾行為，且在偏壓譜中被觀察到象征勢壘的零偏壓電導谷。這歸因于Σ9晶界帶來的勢壘對輸運性質的影響。
研究表明，通過這種方法制備的I型和II型納米片表現出有潛力的輸運特性，適用于各種量子器件。尤其是這種生長方案使得InSb納米線與InSb納米片一起生長，具有預定的位置和方向，并可創建復雜的陰影幾何形狀與納米線網絡形狀。
這一旦與超導體的定向沉積相結合，便可用最少的制備步驟產生高質量InSb超導體復合量子器件，為拓撲量子比特和新型復合量子比特提供器件平臺。此外，與通過分子束外延(MBE)生長的InSb納米片相比，采用這一方法生長的InSb納米片更薄，更有助于量子化現象的出現和增加可調控性。
2月8日，相關研究成果以Merging Nanowires and Formation Dynamics of Bottom-Up Grown InSb Nanoflakes為題，在線發表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項、北京市科技新星計劃和綜合極端條件實驗裝置的支持。
圖1.(a)InSb納米線和納米片基底的示意圖。在InP(100)晶圓上制作v型槽切口(“溝槽”)，暴露出(111)B面。金顆粒在InP(111)B切面預先確定的位置上進行曝光制備，InSb納米線在其上生長。通過在相反的InP(111)B切面上沉積Au顆粒，InSb納米線將合并，形成(e)納米橋和(f)納米片。
圖2.三種類型的InSb納米片的晶體取向與最終形貌的關系
圖4.三種納米片的低溫電輸運測量。(a-c)顯示了兩端電導作為背門電壓Vbg和磁場B的函數，即朗道扇形圖。插圖中顯示的是假彩色SEM圖像。納米薄片被Al電極(藍色)接觸，Σ3和Σ9晶界分別用黃色和紅色虛線標記。(d-f)為(a-c)在4T、8T和11T處扇圖的截線，顯示量子化平臺存在與否。(g-i)為三種類型納米片低磁場下微分電導dI/dV與Vbias和Vbg的函數關系，可以看出(i)中存在與晶界對應的零偏壓電導谷。(j)由三種不同類型的納米片制成的8個器件的場效應遷移率，顯示三類納米線不同的遷移率。
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