石墨烯量子點(diǎn)量子輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、量子信息科學(xué)從興起以來(lái)一直吸引著廣大科學(xué)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)域始終保持著非常活躍的研究氛圍，一系列卓越的研究成果、先進(jìn)技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)。新的觀點(diǎn)和問(wèn)題也被不斷提出，與其它學(xué)科交叉不斷深入。
　　 基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)上的電子自旋自由度制備半導(dǎo)體量子芯片，進(jìn)行固態(tài)量子信息過(guò)程的處理是一個(gè)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(shí)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(shí)間等。科學(xué)家們正在努力探尋解決的辦法，其中一個(gè)辦法就是開(kāi)發(fā)利用新材料來(lái)取代傳統(tǒng)的砷化鎵半導(dǎo)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(diǎn)體系，包括單量子點(diǎn)、單電子晶體管超靈敏測(cè)量、串聯(lián)雙量子點(diǎn)、并聯(lián)雙量子點(diǎn)；并且通過(guò)低溫輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究量子點(diǎn)系統(tǒng)的一些基本特性。
　　 文章主要內(nèi)容：
　　 1.對(duì)量子信息、量子計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體量子芯片概念的簡(jiǎn)單介紹，石墨烯二維材料物理和電學(xué)性質(zhì)的描述

3、。
　　 2.石墨烯量子點(diǎn)的加工制備過(guò)程和方法，并對(duì)加工過(guò)程中所使用的各種儀器做了介紹和說(shuō)明，給出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)條件。
　　 3.石墨烯單量子點(diǎn)的低溫輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，看到庫(kù)侖阻塞效應(yīng)，得到了標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)侖菱形電荷狀態(tài)圖。觀測(cè)到量子點(diǎn)上電子的基態(tài)和激發(fā)態(tài)能譜，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出相應(yīng)的電荷充電能和耦合電容。
　　 4.設(shè)計(jì)了大小不同的兩個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其中大的量子點(diǎn)也被稱為單電子晶體管（SET），被用作探測(cè)器讀出旁邊小量子

4、點(diǎn)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(cè)到量子點(diǎn)內(nèi)的庫(kù)侖充電信號(hào)和激發(fā)態(tài)能譜，甚至傳統(tǒng)輸運(yùn)測(cè)量看不到的微弱庫(kù)侖充電信號(hào)也能被探測(cè)到。
　　 5.我們加工測(cè)量了多柵極調(diào)控的石墨烯串聯(lián)雙量子點(diǎn)器件，通過(guò)低溫輸運(yùn)測(cè)量得到了雙點(diǎn)耦合蜂窩圖，雙點(diǎn)的耦合強(qiáng)度可以從弱到強(qiáng)的調(diào)節(jié)。通過(guò)計(jì)算雙點(diǎn)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(lái)無(wú)核自旋的量子信息器件。
　　

5、 6.我們加工測(cè)量了柵極調(diào)控的雙層石墨烯并聯(lián)雙量子點(diǎn)，通過(guò)背柵和側(cè)柵電極的調(diào)控可以將并聯(lián)雙點(diǎn)調(diào)節(jié)到不同的耦合區(qū)間.從雙點(diǎn)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(duì)論文工作的總結(jié)，給出了在已有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，開(kāi)展下一步實(shí)驗(yàn)的計(jì)劃和目標(biāo)。我們?cè)O(shè)計(jì)并加工了新的在雙點(diǎn)結(jié)構(gòu)上增加探測(cè)器的樣品。
　　 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：
　　 1.對(duì)石墨烯量子點(diǎn)體系系統(tǒng)化的研究，包括單量子點(diǎn)、雙量子點(diǎn)（串聯(lián)和

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