石墨烯量子点量子输运性质的实验研究

论文摘要

量子信息科学从兴起以来一直吸引着广大科学家们的研究热情,展现出了非常广阔的发展空间。这一领域始终保持着非常活跃的研究氛围,一系列卓越的研究成果、先进技术涌现出来。新的观点和问题也被不断提出,与其它学科交叉不断深入。基于半导体量子点上的电子自旋自由度制备半导体量子芯片,进行固态量子信息过程的处理是一个非常有希望的研究方向。目前在这一方向已经有了很多卓越的研究成果,但是同时也仍然面临着诸多困难。比如如何提高自旋量子比特的退相干时间等。科学家们正在努力探寻解决的办法,其中一个办法就是开发利用新材料来取代传统的砷化镓半导体材料。本论文的研究工作,是以石墨烯材料为基础加工制造各种量子点体系,包括单量子点、单电子晶体管超灵敏测量、串联双量子点、并联双量子点;并且通过低温输运实验测量,研究量子点系统的一些基本特性。文章主要内容:1.对量子信息、量子计算机、半导体量子芯片概念的简单介绍,石墨烯二维材料物理和电学性质的描述。2.石墨烯量子点的加工制备过程和方法,并对加工过程中所使用的各种仪器做了介绍和说明,给出了相关的实验参数条件。3.石墨烯单量子点的低温输运实验测量,看到库仑阻塞效应,得到了标准的库仑菱形电荷状态图。观测到量子点上电子的基态和激发态能谱,并在此基础上计算出相应的电荷充电能和耦合电容。4.设计了大小不同的两个量子点结构,其中大的量子点也被称为单电子晶体管（SET）,被用作探测器读出旁边小量子点内的电荷状态。单电子晶体管10-3e（?）的高灵敏度,使得我们可以清楚地探测到量子点内的库仑充电信号和激发态能谱,甚至传统输运测量看不到的微弱库仑充电信号也能被探测到。5.我们加工测量了多栅极调控的石墨烯串联双量子点器件,通过低温输运测量得到了双点耦合蜂窝图,双点的耦合强度可以从弱到强的调节。通过计算双点分子态波函数,我们提取出了很大的遂穿耦合能,表明这种高度可控的系统非常有望成为将来无核自旋的量子信息器件。6.我们加工测量了栅极调控的双层石墨烯并联双量子点,通过背栅和侧栅电极的调控可以将并联双点调节到不同的耦合区间.从双点耦合的蜂窝图中,我们抽取出了相关的耦合电容、耦合能等参数。7.对论文工作的总结,给出了在已有实验基础上,开展下一步实验的计划和目标。我们设计并加工了新的在双点结构上增加探测器的样品。本论文的主要创新点为:1.对石墨烯量子点体系系统化的研究,包括单量子点、双量子点（串联和并联）、单电子晶体管探测器。研究思路清晰,循序渐进,以制备性能良好、功能完善的石墨烯量子芯片为目标。2.在石墨烯量子点中,观测到清晰的电子激发态谱。并利用单电子晶体管对量子点进行超灵敏度测量,给出其激发态谱。3.利用量子力学遂穿原理研究石墨烯串联双量子点内分子态演化。计算出双点的遂穿能。4.设计和加工了石墨烯并联双量子点样品,低温输运性质的测量给出了很好的双点耦合图,利用集成的平面栅极可以很好地调控双量子点的耦合状态。5.给出了石墨烯双点系统加探测器的设计。初步的测试表明这种器件可以稳定工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 量子信息与量子计算机简介
• 1.2 半导体量子芯片
• 1.3 量子点的结构与性质
• 1.4 石墨烯二维晶体材料
• 参考文献
• 第二章 石墨烯量子点的加工和制备
• 2.1 样品加工工艺所使用仪器简介
• 2.2 石墨烯的制备
• 2.3 石墨烯量子点样品的加工步骤
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 石墨烯单量子点的基态与激发态
• 3.1 单量子点样品结构
• 3.2 样品的加工方法
• 3.3 低温输运测量
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 石墨烯单电子晶体管对量子点的探测
• 4.1 样品加工制备与结构图
• 4.2 实验测量
• 4.3 本章小结
• 参考文献
• 第五章 石墨烯串联双量子点
• 5.1 样品加工制备与结构图
• 5.2 低温输运测量
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 第六章 石墨烯并联双量子点
• 6.1 样品结构与制备
• 6.2 实验测量
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 工作中有待改进之处
• 7.3 对未来工作展望
• 攻读博士学位期间的学术研究成果
• 参考文献
• 致谢