单量子点微纳机电器件的制备与器件物理研究

由于量子点的尺寸接近或小于其电子费米波长，电子能量呈现为分立的量子能级而产生出特殊的光、电、磁特性及其尺寸调控效应。同时利用库仑阻塞效应也可调控其电荷与自旋量子态。基于量子点的这些特性，有望产生出多种新型纳米电子、纳米光电和自旋电子器件。针对目前存在的难以精确可控制备量子点-电极间隧穿势垒的问题，本项目提出赋予单量子点以机械运动自由度的方案：通过量子点的机械运动使其与电极实现"直接接触"而充放电荷，通过库仑阻塞效应限制充放电荷数量而实现单电子输运。本项目重点解决单量子点机电耦合动力学模型的建立、量子点的脱附和动态输运特性的测试等关键科学技术问题，形成相应的基本理论和实验方法，实现4.2 K以上机械式单电子输运、标准电流源、高频噪声源、单光子发射源中一到两个原型器件，探索接近室温工作的单量子点机电器件。本项目为机械自由度在纳米光机电器件中的应用基础研究提供了一个良好的研究平台。

本项目开展温度4.2 K以上的单量子点机电器件的物理机制、设计、加工制备和测试技术研究，重点解决单量子点机电耦合动力学模型的建立、量子点的脱附和动态输运特性的测试等关键科学技术问题，形成相应的基本理论和实验方法，实现4.2 K以上机械式单电子输运、标准电流源、高频噪声源、单光子发射源中一到两个原型器件，探索接近室温工作的单量子点机电器件。为机械自由度在纳米光机电器件中的应用基础研究提供了一个良好的研究平台。.开展了以下5个方面的研究。（1）基于直接充放电的机电电荷传输模型；（2）基于金属微球的机电器件制备、测试与模型验证；（3）基于重掺杂SOI的单电子晶体管的制备与测试；（4）基于介孔氧化硅薄膜组装金量子点的单电子器件的制备与测试；（5）动态测试技术与机电式电荷穿梭器件应用探索。通过本项目的实施，项目组在电荷传输模型、器件的加工制备和相应的测试技术与装备方面获得了以下重要研究结果：.1）发现了一种新的电荷输运机制，指出了前人采用机电传输器件作为电流标准的根本问题所在和误差(>10%)来源；.2）通过微米尺度的机电电荷传输试验，验证了动态电容和运动电荷产生的电荷输运，给出了完整的机电电荷输运模型，模型模拟与试验结果吻合良好；.3）提升了机电电荷传输器件的加工制备与微纳集成技术；.4）完善了微纳尺度机电电荷传输器件的射频共振读出测试方法与装备技术，为深入开展传输机制的研究提供了重要的技术支撑；.5）演示了基于多微球混沌振荡的随机噪声信号源。.项目组虽然在机电电荷传输模型及其基于微尺度器件的直接验证方面取得了重要结果，部分解决了单电子晶体管的精确加工、定位、悬浮量子点的脱附等难点技术，但尚未实现100纳米以下的机电电荷传输。这些工作一方面为调整研究方案和器件应用提供了重要的指导，同时也加快了专业的测试技术与装备研究的进程。.在本项目的实施过程中，项目组不简单重复或跟随国际上的已有研究结果，而是针对机电电荷传输器件及其应用中的核心科学技术问题，努力建设相应的加工与测试技术手段，有效结合理论模型和实验研究，形成了具有一定创新性的研究成果和专业测试分析技术。在后续的研究中将继续拓宽思路，在瞄准核心问题和器件应用的同时，加强从器件模型到器件的加工、测试分析与应用各个关键环节的研究，使研究工作更加系统，研究队伍的研究能力更加完整高效。