基于石墨烯三端和多端纳米器件的量子输运研究

Graphene is a two-dimensional materials formed by a single atomic layer of carbon atoms which is stable under ambient conditions. The giant intrinsic mobility of carriers in graphene make accessible the vision of a room-temperature ballistic devices. It also exhibits special electronic properties such as massless carriers, strong electron-hole symmetry near the charge neutrality point. These properties make graphene-based nanostructures an interesting system for high mobility electronics, fundamental studies of chiral particles and the realization of spin-qubits, which might be a promising building block for solid-state quantum computation. In this project, we will investigate graphene-based three-terminal and multi-terminal ballistic junctions in terms of transport experiments. By aggressively scaling the channel length to the point where the transport is ballistic and phase coherent, we are able to probe nonlinear quantum transport effects in graphene three-terminal and multi-termial nanodevices. The high sensitivity of nonlinear characteristics to the change of electronic structures give us the ability to study the special properties of electrons inside graphene nanostructures, including scattering mechanism, spin-dependent transport , quantum transport in the quantum hall regimes and Klein tunnelling. We will focus on developing technologies and device concepts based on three-terminal and multi-terminal structures. These studies will open up possibilities of achieving graphene-based nanoelectronics and integrated circuits with more complex functionality and performance.

石墨烯作为本征的二维原子晶体，由于其独特的能带结构，超高的载流子迁移率和亚微米尺度的弹道输运性质，成为探索新物性，研制新型量子电子器件的理想体系。本项目拟在我们近期开展的石墨烯三端弹道器件的基础上，以纳米尺度的石墨烯三端和多端复合结构的为研究对象，通过对器件在低温强磁场下量子输运特性的研究，深入理解纳米尺度下石墨烯载流子的散射机制；系统地研究器件非线性效应的尺度，温度和磁场的变化规律，研制基于新原理的量子电子器件；利用弹道多端器件中非线性效应对散射敏感的特点，结合极低温和强磁场的测量环境，研究理论预言的 Klein 隧穿各向异性的特征，和量子霍耳态的隧穿和量子相干过程。这些研究将加深我们对石墨烯纳米器件量子输运特性的认识，为进一步研制基于石墨烯的量子电子器件探索新原理和新方法。

由于石墨烯新奇的电学，光学和力学特性，基于石墨烯的纳米结构在基础科学和器件应用上存在种种机遇和挑战。本项目中我们对纳米尺度的石墨烯三端和多端复合结构中特征的非线性效应，自旋和谷散射过程，以及量子霍尔态中的量子输运特性进行了系统研究。本项目的目标是发展和建立基于石墨烯纳米结构器件的微纳加工工艺和低温下的输运测量和调控技术。本项目的研究人员与研究生一起刻苦攻关，基本完成了项目计划书中所列出的主要任务，获得国际前沿水平的结果。例如，我们研制了高质量石墨烯三端器件，观察到器件在弹道工作区特征的非线性输运行为。在四端十字结结构中，我们观察到依赖于磁场和测量构型的非对称输运行为，并进一步提出利用器件特征实现对局域杂质态的灵敏探测。我们成功制备了高质量超薄碳化钼晶体，输运研究提供了本征二维超导的实验证据，我们进一步在石墨烯/碳化钼异质结上实现了高质量界面的约瑟夫器件。在氮掺石墨烯中，我们的实验发现氮掺杂造成了石墨烯谷间的电子空穴非对称散射过程。在石墨烯/氮化硼异质结构器件中，我们通过发展干法转移技术实现了高质量异质器件，在低温下观察到石墨烯超晶格结构中特征的 Hofstadter 图样，并提出带间散射对电子空穴端的输运特征产生重要影响。总之，通过本项目的实施，我们成功发展了至于石墨烯多端纳米器件的制备和测量技术。我们的研究展示了石墨烯多端器件为探索新奇量子特性，研制新型量子电子器件提供了一个理想体系。