石墨烯量子點量子輸運性質(zhì)的實驗研究.pdf

1、量子信息科學從興起以來一直吸引著廣大科學家們的研究熱情，展現(xiàn)出了非常廣闊的發(fā)展空間。這一領(lǐng)域始終保持著非?；钴S的研究氛圍，一系列卓越的研究成果、先進技術(shù)涌現(xiàn)出來。新的觀點和問題也被不斷提出，與其它學科交叉不斷深入。
　　 基于半導體量子點上的電子自旋自由度制備半導體量子芯片，進行固態(tài)量子信息過程的處理是一個非常有希望的研究方向。目前在這一方向已經(jīng)有了很多卓越的研究成果，但是同時也仍然面臨著諸多困難。比如如何提高自旋量子比特的退相

2、干時間等?？茖W家們正在努力探尋解決的辦法，其中一個辦法就是開發(fā)利用新材料來取代傳統(tǒng)的砷化鎵半導體材料。
　　 本論文的研究工作，是以石墨烯材料為基礎(chǔ)加工制造各種量子點體系，包括單量子點、單電子晶體管超靈敏測量、串聯(lián)雙量子點、并聯(lián)雙量子點；并且通過低溫輸運實驗測量，研究量子點系統(tǒng)的一些基本特性。
　　 文章主要內(nèi)容：
　　 1.對量子信息、量子計算機、半導體量子芯片概念的簡單介紹，石墨烯二維材料物理和電學性質(zhì)的描述

3、。
　　 2.石墨烯量子點的加工制備過程和方法，并對加工過程中所使用的各種儀器做了介紹和說明，給出了相關(guān)的實驗參數(shù)條件。
　　 3.石墨烯單量子點的低溫輸運實驗測量，看到庫侖阻塞效應(yīng)，得到了標準的庫侖菱形電荷狀態(tài)圖。觀測到量子點上電子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能譜，并在此基礎(chǔ)上計算出相應(yīng)的電荷充電能和耦合電容。
　　 4.設(shè)計了大小不同的兩個量子點結(jié)構(gòu)，其中大的量子點也被稱為單電子晶體管（SET），被用作探測器讀出旁邊小量子

4、點內(nèi)的電荷狀態(tài)。單電子晶體管310/eHz的高靈敏度，使得我們可以清楚地探測到量子點內(nèi)的庫侖充電信號和激發(fā)態(tài)能譜，甚至傳統(tǒng)輸運測量看不到的微弱庫侖充電信號也能被探測到。
　　 5.我們加工測量了多柵極調(diào)控的石墨烯串聯(lián)雙量子點器件，通過低溫輸運測量得到了雙點耦合蜂窩圖，雙點的耦合強度可以從弱到強的調(diào)節(jié)。通過計算雙點分子態(tài)波函數(shù)，我們提取出了很大的遂穿耦合能，表明這種高度可控的系統(tǒng)非常有望成為將來無核自旋的量子信息器件。
　　

5、 6.我們加工測量了柵極調(diào)控的雙層石墨烯并聯(lián)雙量子點，通過背柵和側(cè)柵電極的調(diào)控可以將并聯(lián)雙點調(diào)節(jié)到不同的耦合區(qū)間.從雙點耦合的蜂窩圖中，我們抽取出了相關(guān)的耦合電容、耦合能等參數(shù)。
　　 7.對論文工作的總結(jié)，給出了在已有實驗基礎(chǔ)上，開展下一步實驗的計劃和目標。我們設(shè)計并加工了新的在雙點結(jié)構(gòu)上增加探測器的樣品。
　　 本論文的主要創(chuàng)新點為：
　　 1.對石墨烯量子點體系系統(tǒng)化的研究，包括單量子點、雙量子點（串聯(lián)和

6、并聯(lián)）、單電子晶體管探測器。研究思路清晰，循序漸進，以制備性能良好、功能完善的石墨烯量子芯片為目標。
　　 2.在石墨烯量子點中，觀測到清晰的電子激發(fā)態(tài)譜。并利用單電子晶體管對量子點進行超靈敏度測量，給出其激發(fā)態(tài)譜。
　　 3.利用量子力學遂穿原理研究石墨烯串聯(lián)雙量子點內(nèi)分子態(tài)演化。計算出雙點的遂穿能。
　　 4.設(shè)計和加工了石墨烯并聯(lián)雙量子點樣品，低溫輸運性質(zhì)的測量給出了很好的雙點耦合圖，利用集成的平面柵極可以