作为一个理想的低维电子体系，碳纳米管具有独特的能带结构和高载流子平均自由程，在低温下呈现出优异的量子特性，为发展高性能的集成电路和固态量子器件展示了诱人前景。在介观器件中，实现对量子干涉效应的深入理解和精确调控不仅有利于研究低维电子系统中的量子相干现象，还为研制新型纳电子器件和量子器件奠定基础。碳纳米管是由碳原子构成的管状一维晶体，为研究轴向磁场下的阿哈罗诺夫-玻姆（AB) 效应提供了理想的实验平台。但由于其超小的直径，在碳管中实现一个磁通量子需要超高的磁场（10nm直径需要约50T轴向磁场），这极大限制了实验的观测和研究。早期的实验研究通过采用大管径的多层碳纳米管来降低磁通量子所需磁场，或通过在碳纳米管和电极界面形成的肖特基势垒，利用势垒隧穿来观察AB振荡，但都难于克服体系本征的无序性和固定隧穿势垒等困难，从而缺乏稳定可控手段来研究一维体系下的AB效应。2004年，Andreev理论上提出利用p-n结的特征结构，通过将Landau-Zener隧穿与AB效应结合，可能实现低场下对磁通调制量子干涉效应的观测（Phys. Rev. Lett. 2007, 99, 247204），但由于器件的调控困难一直没有在实验上实现。
北京大学电子学院、碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的张志勇、康宁课题组，与鸿之微科技有限责任公司王音团队和清华大学物理系姜开利课题组合作，在碳纳米管的量子相干输运研究方向取得进展：首次实现了内建电场调控的量子干涉效应，进一步在低磁场区域观察到法布里-珀罗（FP）干涉增强的AB效应。研究团队通过构建在片的成对侧栅结构，实现了对单根碳纳米管p-n结强度的有效调控，获得了工作在弹道输运区间的高质量碳纳米管器件（图1）。实验通过将器件工作区间稳定在双栅谱中的p-n边界处，在沿着内建电场增强的方向上成功观察到了特征的非单调磁输运行为，与理论预言的图像一致（图2a-c）。通过低温不同倾角下磁输运的演化行为进一步证实了磁导的AB来源（图2b和图2d）。实验首次观察到这种非单调的磁输运行为在FP的共振区域得到了极大的增强（图2e），基于非平衡格林函数和密度泛函的计算方法进一步显示了共振调制的透射系数行为（图2f）。该工作为一维电子体系中研究量子干涉效应，发展多场调控手段提供了新的方案。
单根碳纳米管
图1 基于单根碳纳米管构筑的双侧栅p-n结
单根碳纳米管
图2 内建电场调制与法布里-珀罗干涉增强的AB磁导振荡 相关研究成果以《单壁碳纳米管p-n结中的栅控量子干涉效应》（“Gate-Controlled Quantum Interference Effects in a Clean Single-Wall Carbon Nanotube p-n Junction”）为题，于5月17日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。北京大学电子学院博士研究生邓小松为第一作者，康宁和张志勇为共同通讯作者。此项工作得到了国家自然科学基金、科技部和北京大学微纳加工超净实验室的支持。
文章来源：北京大学
张志勇，博士，北京大学教授，纳米器件物理与化学教育部重点实验室主任，电子系副主任，碳基电子学研究中心副主任。主要从事碳基纳米电子学方面的研究，探索基于碳纳米管的MOS集成电路、传感器和其他新型信息器件技术，并推进碳基信息器件技术的实用化发展。在Science, Nature electronics等学术期刊上发表SCI论文150余篇，SCI他引6000余次，H因子43。部分工作获得中国高校十大科技进展、国家自然科学二等奖、中国科学十大进展。曾入选国家万人计划-科技创新领军人才、万人计划-青年拔尖人才计划、国家基金委优秀青年科学基金。获得中国青年科技奖、茅以升北京青年科技奖。主持包括国家重点研发计划“纳米科技”重点专项课题等8项国家级、5项省部级项目。
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发表于 2023-5-31 08:00:00
