近日，廈門大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)基于掃描隧道探針技術(shù)在量子點(diǎn)電子態(tài)和自旋態(tài)操控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Manipulations of electronic and spin states in Co-quantum dot/WS2 heterostructure on a metal-dielectric composite substrate by controlling interfacial carriers”為題發(fā)表于《Nano Letters》上。

電荷和自旋是載流子的兩種固有屬性，幾乎決定著材料中所有的物理過(guò)程和操作原理，是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的基石。多種高運(yùn)算速度、低功耗、非易失性的新型電子器件在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生。尤其隨著摩爾定律的不斷推進(jìn)，在量子尺度上實(shí)現(xiàn)電荷和自旋的操控，觀測(cè)并理解其微觀物理過(guò)程，對(duì)于自旋電子學(xué)的發(fā)展和自旋電子器件的實(shí)際應(yīng)用而言至關(guān)重要。

廈門大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體團(tuán)隊(duì)借助掃描隧道探針技術(shù)，并設(shè)計(jì)采用金屬介質(zhì)復(fù)合襯底，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Co量子點(diǎn)/WS2異質(zhì)結(jié)電子態(tài)和自旋態(tài)的調(diào)控。

圖1. 基于掃描隧道探針技術(shù)的電子與自旋態(tài)操控

本工作首先采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制備了WS2薄膜并轉(zhuǎn)移至金屬介質(zhì)復(fù)合襯底，而后通過(guò)原位分子束外延（MBE）技術(shù)在其表面生長(zhǎng)全同的Co量子點(diǎn)，形成耦合異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該體系為電子態(tài)和自旋態(tài)操控提供了優(yōu)異的研究平臺(tái)。本工作的主要?jiǎng)?chuàng)新思想在于金屬介質(zhì)復(fù)合襯底的設(shè)計(jì)和掃描隧道探針的電子注入。復(fù)合襯底的引入可顯著增強(qiáng)界面勢(shì)壘，并結(jié)合掃描隧道探針的載流子注入，使載流子在Co量子點(diǎn)/WS2異質(zhì)結(jié)與襯底之間形成有效的空間積累，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)的電子與自旋態(tài)的調(diào)控。

研究發(fā)現(xiàn)，使用非磁性探針在單極性偏置的多次掃描、偏置極性切換以及施加脈沖等多種方式下，可使Co量子點(diǎn)的電子態(tài)形貌在亮態(tài)和暗態(tài)之間進(jìn)行規(guī)律且可重復(fù)的轉(zhuǎn)換，且在切換偏壓極性時(shí)，量子點(diǎn)的電子態(tài)發(fā)生了滯后的轉(zhuǎn)變現(xiàn)象（圖2）。第一性原理計(jì)算表明，量子點(diǎn)電子態(tài)的轉(zhuǎn)變歸結(jié)于載流子注入及其界面積累所導(dǎo)致的量子點(diǎn)量子能級(jí)的移動(dòng)（圖3）。

圖2. 非磁性掃描探針對(duì)全同Co量子點(diǎn)電子態(tài)形貌的調(diào)控

圖3. 正負(fù)偏壓下界面勢(shì)壘及Co量子點(diǎn)/WS2異質(zhì)結(jié)投影態(tài)密度的演變

 該電子態(tài)的有效調(diào)控為實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)自旋態(tài)的操控提供了可能。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)磁性掃描探針進(jìn)行自旋極化載流子的注入和積累，并發(fā)現(xiàn)了不同于非磁性探針作用下的電子態(tài)形貌轉(zhuǎn)變，即隨著磁性鎳探針的持續(xù)自旋注入（圖4），處于占據(jù)態(tài)的量子點(diǎn)自旋態(tài)表現(xiàn)出亮態(tài)到暗態(tài)進(jìn)而又返回暗態(tài)的連續(xù)調(diào)控效應(yīng)；而處于未占據(jù)態(tài)的量子點(diǎn)自旋態(tài)表現(xiàn)出相反的變化過(guò)程。第一性原理計(jì)算揭示了該量子點(diǎn)自旋態(tài)的變化是由于載流子積累導(dǎo)致的磁各向異性能的演變（圖5）。

圖4. 磁性掃描探針對(duì)全同Co量子點(diǎn)自旋態(tài)形貌的調(diào)控

圖5. 第一性原理計(jì)算Co-QDs/WS2的自旋電子特性

本工作表明金屬-電介質(zhì)復(fù)合襯底成功地構(gòu)造了載流子積累的界面電勢(shì)，結(jié)合掃描隧道探針技術(shù)實(shí)現(xiàn)了量子尺度下電子態(tài)和自旋態(tài)可控的電調(diào)制。這些結(jié)果將促進(jìn)量子體系中電子與物質(zhì)相互作用的探索，并為推動(dòng)自旋電子學(xué)的發(fā)展提供創(chuàng)新的途徑。 

該工作在廈門大學(xué)物理系康俊勇教授、吳雅蘋教授、吳志明教授的指導(dǎo)下完成，物理系博士研究生張宗南、唐唯卿博士為本文共同第一作者，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04831

（來(lái)源：廈大物理）