准一维限域体系的量子输运特性研究

本项目重点研究准一维限域条件下在III-V半导体异质结纳米线体系中基于量子隧道效应的电输运行为和在单壁碳纳米管中自旋注入及自旋输运特性。采取准一维材料气-液-固合成路线，选择金属有机化合物为原材料，在重掺杂InN纳米线生长过程中可控气相Ga源，实现在InN纳米线基上生长InGaN/InN/InGN双势阱单量子点异质结、双量子点异质结以及InN/InGaN量子点超晶格结构。同时，通过控制碳纳米管生长工艺，批量制备直径与长度可控的单壁碳纳米管。采用光刻蚀、电子束刻蚀及金属沉积等微纳加工手段，制作单根纳米线/纳米管的场效应晶体管结构，构造InN纳米线基的共振隧道二极管、单电子晶体管、耦合双量子点晶体管等量子器件结构，研究该体系输运性质在限域维度变化、库仑阻塞及Kondo效应区域规律。在Fe基铁磁电极的悬空碳纳米管器件方面，研究自旋注入及电子自旋相干输运行为，探索趋向室温自旋电子学器件实现方法。

在材料体系的制备方面，我们实现了层间解耦合石墨烯薄膜的层数可控、均匀、大面积CVD制备。我们改进了定向、高密度排列的1D碳纳米管阵列的制备，进一步采用新方法刻蚀1D碳管，实现超细边缘平滑石墨烯纳米带制备。在器件构造方面，我们完成了定向排列的碳纳米管、石墨烯纳米带阵列FET器件制作。我们解决了器件介电集成的问题，并制作了有介电层保护的新型Hall器件，以及制作了Ni/graphene/Co垂直自旋输运器件。通过对这些器件的电输运和自旋输运研究，我们发现了一维的2 nm宽的石墨烯纳米带的电子-电子间相互作用，即首次发现石墨烯纳米带的Luttinger 液体行为；在Ni/graphene/Co垂直器件中，发现当磁场平行于器件扫过时，出现自旋阀效应。而且，我们也发现电子-电子相互作用可以在150 K的较高温度中存在，这为研究电子-电子相互作用提高新的途径。在层间解耦合的石墨烯器件中，获得了在3-4层石墨烯薄膜的3000 cm2/Vs的高迁移率，说明了层间解耦合实现了对衬底杂质散射的有效屏蔽。在半导体准一维纳米线方面，成功制作了AlGaN/GaN HEMT器件，发现纳米沟道宽度为224 nm的器件中实现了最佳的最大峰值的跨导，235 mS/mm，这几乎是C-HEMT的2倍大。我们共发表了44篇文章和申请9项专利，以及培养了16名研究生。已经完成了修改后的研究计划。