可控生长InSb纳米低维结构和其高质量量子器件| 进展

窄带InSb半导体材料以其具有高电子迁移率、大朗德g因子和强大的Rashba自旋轨道耦合特征而著称，并成为自旋电子学、红外探测、热电以及复合半导体 - 超导器件中的新型量子比特和拓扑量子比特的材料候选者。由InSb制成的低维纳米结构，如纳米线或者 2D InSb纳米结构（或量子阱），也因丰富的量子现象、优异的可调控性而显示出巨大的潜力。然而，InSb量子阱由于其大晶格常数，很难在绝缘基板上外延生长。解决这些问题的一种方法是自下而上独立生长出无缺陷的纳米结构。通过气-液-固（VLS）生长出的这种2D InSb纳米片结构，具有非常高的晶体质量，显示出单晶或接近单晶的优异特性。在之前的研究中，其生长过程几乎都是起源于单个催化剂种子颗粒，因此位置、产量和方向几乎没有控制。

埃因霍温理工大学的Erik教授指导学生Marco等与中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心HX-Q02组沈洁特聘研究员和张志远、李国安、石佳玉、杨光等学生合作，开发了一种通过金属有机气相外延（MOVPE）在预定位置以预设数量（频率）和固定取向/排列生长2D InSb纳米结构的新方法（可控生长），并用低温电输运测量在其制备而成的量子器件中观察到了不同晶体结构对应的特征结构。在这一方法中，通过在基底上制备V型槽切口，并精确控制成对从倾斜且相对的{111}B面生长的纳米线进行合并来形成纳米片。

图1 (a)InSb纳米线和纳米片基底的示意图。在InP(100)晶圆上制作v型槽切口(“沟槽”)，暴露出(111)B面。金颗粒在InP(111)B切面预先确定的位置上进行曝光制备，InSb纳米线在其上生长。通过在相反的InP(111)B切面上沉积Au颗粒，InSb纳米线将合并，形成e)纳米桥和f)纳米片。

纳米片状形态和晶体结构由两根纳米线的相对取向决定。TEM等分析结果表明存在与不同晶界排列相关的三种不同的纳米片形态：无晶界（I型）、Σ3-晶界（II型）和Σ9-晶界（III型）。后续的器件制备和输运测量表明，I型、II型在输运上都表现出良好的性质，有较好的量子霍尔效应，出现了量子化平台，同时也有较高的场效应迁移率。与之相对的，III型纳米线由于特殊晶界的存在，出现了明显的迁移率降低和较差的量子霍尔行为，同时在偏压谱中观察到了象征势垒的零偏压电导谷。这些现象归因于Σ9晶界带来的势垒对输运性质的影响。

图2 三种类型的InSb纳米片的晶体取向与最终形貌的关系。

图3 三种类型InSb纳米片的形貌演变。

该研究结果说明，通过这种方法制备的I型和II型纳米片表现出有潜力的输运特性，适用于各种量子器件。尤其是，这种生长方案使得InSb纳米线与InSb纳米片一起生长，都具有预定的位置和方向，并可创建复杂的阴影几何形状与纳米线网络形状。这些一旦与超导体的定向沉积相结合，便可用最少的制备步骤产生高质量InSb超导体复合量子器件，为拓扑量子比特和新型复合量子比特提供器件平台。此外，与通过分子束外延（MBE）生长的InSb纳米片相比，用这种方法生长的InSb纳米片更薄，更有助于量子化现象的出现和增加可调控性。

图4 三种纳米片的低温电输运测量。a - c)显示了两端电导作为背门电压Vbg和磁场B的函数，即朗道扇形图。插图中显示的是假彩色SEM图像。纳米薄片被Al电极(蓝色)接触，Σ3和Σ9晶界分别用黄色和红色虚线标记。d-f)为a-c)在4T、8T和11T处扇图的截线，显示量子化平台存在与否。g-i)为三种类型纳米片低磁场下微分电导dI/dV与Vbias和Vbg的函数关系，可以看出i)中存在与晶界对应的零偏压电导谷。j)由三种不同类型的纳米片制成的8个器件的场效应迁移率，显示三类纳米线不同的迁移率。

相关研究成果以“Merging Nanowires and Formation Dynamics of Bottom-Up Grown InSb Nanoflakes”为题，于2023年2月8日在Advanced Functional Materials上在线发表。该项工作得到了国家自然科学基金委（2174430和92065203），中国科学院先导专项（XDB33000000），北京市科技新星（Z211100002121144）和综合极端条件实验装置（SECUF）的支持。

编辑：草莓熊

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