[论文解读] Engineering Quantum Confinement in Semiconducting van der Waals Heterostructure

Ke Wang, Takashi Taniguchi+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2016

2D Materials and Applications参考文献 17被引用 5

一句话总结

本论文通过局部顶栅和六方氮化硼包覆，展示了在二维过渡金属二硫属化合物（TMDC）异质结构中实现门控可调的量子限制。通过低温、光照测量提升电子气质量，作者实现了量子点接触中的量子化电导以及量子点中的单电子输运，从而实现对自旋和谷自由度的调控，为未来二维量子器件的发展奠定基础。

ABSTRACT

Spatial confinement and manipulation of charged carriers in semiconducting nanostructures are essential for realizing quantum electronic devices. Gate-defined nanostructures made of two-dimensional (2D) semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) have the potential to add a unique additional control of quantum degrees of freedom owing to valley-spin locking of confined carriers near the band edges. However, due to prevailing inhomogeneities in the conducting channels, it has been difficult to realize quantum confinement in 2D TMDCs with well-controlled tunnel-coupling strength. Here we demonstrate quantum transport in lateral gate-defined 2D electron quantum dots formed in atomically thin TMDC heterostructures. Utilizing micro-fabricated local contact gates, encapsulation in 2D dielectrics and light illumination at low temperatures, we show that the quality of TMDC 2D electron gases (2DEGs) can be improved, rendering them suitable for mesoscopic quantum transport measurements. We observe quantized conductance in quantum point contact (QPC) channels controlled by gate-tunable confinement. We also demonstrate single electron transport in TMDC quantum dots (QD) with tunable tunnel-coupling. Our observation holds promise for the quantum manipulation of spin and valley degrees of freedom in engineered TMDC nanostructures, enabling versatile 2D quantum electronic devices.

研究动机与目标

• 实现高质量、门控可调的二维过渡金属二硫属化合物（TMDC）中的量子限制，以开展量子输运研究。
• 克服二维电子气（2DEG）中不均匀性带来的挑战，这些挑战阻碍了TMDC中的量子输运。
• 在量子点中实现隧穿耦合强度的精确控制，以实现对自旋和谷自由度的量子调控。
• 在低温和光照条件下，展示原子级薄TMDC异质结构中的介观量子输运。

提出的方法

• 利用机械剥离的TMDC异质结构上的微纳加工局部顶栅，制备横向门控量子点。
• 使用六方氮化硼（hBN）对TMDC沟道进行包覆，以减少无序性并提高电子迁移率。
• 采用低温（可能低于4K）测量并辅以光照，以提升二维电子气（2DEG）的质量。
• 通过门电压调控，控制量子点接触（QPCs）和量子点（QDs）中的限制势和隧穿耦合强度。
• 测量QPC中的电导量子化以及QDs中的单电子隧穿，以确认量子限制的存在。

实验结果

研究问题

• RQ1 在二维TMDC异质结构中，门控定义的量子点能否支持良好定义且可调的量子限制？
• RQ2 能否将TMDC中二维电子气的质量提升到足以实现介观量子输运的程度？
• RQ3 能否通过电学方式调控量子点中的隧穿耦合，以实现单电子输运？
• RQ4 能否在设计的TMDC纳米结构中实现对自旋和谷自由度的相干操控？

主要发现

• 在门控可调的量子点接触（QPCs）中观测到量子化电导，证实了一维电子通道的形成。
• 在具有门控可调隧穿耦合的TMDC量子点中，实现了单电子输运，表明存在离散能级和库仑阻塞。
• hBN包覆与低温、光照测量的结合显著提升了二维电子气的质量，降低了无序性。
• 通过局部顶栅实现了限制势和隧穿耦合强度的可调性，从而实现了对量子态的精确控制。