基于低维半导体材料的晶体管如何进行电子输运？能否控制其中的一个或几个电子的传输？近期，研究者从单根掺杂铟的ZnO纳米带晶体管中获得了库仑阻塞及单、双电子泵浦等量子输运机制。
图1 ZnO 纳米带晶体管在4.2 K温度下的电导振荡(a)均匀的库仑间隔和(b)非均匀的库仑间隔. 4.2 K温度下差分跨导的等高图: (c)单隧穿量子点; (d)多隧穿结
单电子晶体管对电荷高度敏感，是研究库仑阻塞、隧穿和单电子泵浦等量子效应的理想器件。ZnO纳米带由于具有直接宽禁带特性，在室温下有高的激子束缚能和大的比表面积，且通过掺杂可以大大提高其性能，因而成为室温自旋电子器件的潜在候选材料之一。目前基于金属、半导体、稀磁半导体材料的单电子晶体管已经被用于自旋存储和单电子充电的研究，然而ZnO纳米带晶体管的研究还比较少，对ZnO量子点单电子泵浦的单电子自旋控制的优势还没有研究。
近期，中科院物理所许秀来研究员团队采用先进的微纳加工工艺制备了单根掺杂铟的ZnO纳米带晶体管，并成功测量了器件的性质，在4.2 K低温环境下观测到了库仑阻塞及单、双电子泵浦等量子输运现象。相关研究成果发表在SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 2020年第6期，标题为"Single-electron pumping in a ZnO single-nanobelt quantum-dot transistor"。
图2 ZnO量子点的单、双电子泵浦: (a) 泵浦电压为3 V; (c) 泵浦电压为2.7 V. 泵浦电流和脉冲频率的函数关系: (b) 泵浦电压为3 V; (d) 泵浦电压为2.7 V
研究结果显示，在4.2 K温度下，单根ZnO纳米带晶体管表现出了明显的库仑振荡。周期性的菱形库仑区域表明库仑振荡是由ZnO纳米带中均匀尺寸的单量子点引起的，而准周期的菱形库仑区域对应于多量子点的贡献。通过施加变化频率的背栅交流信号，研究人员实现了单电子泵浦和双电子泵浦。并且，在25 MHz的高频率下，单电子和双电子泵浦的电流精度均达到1%左右。这种精确的单电子泵浦使得ZnO纳米带器件适用于单自旋注入和探测，在量子信息技术中具有巨大的应用潜力。
该课题得到国家自然科学基金（编号：51761145104，11934019，61675228，11721404和11874419），中科院战略先导计划（编号：XDB28000000），中科院仪器研制项目（编号：YJKYYQ20180036）和交叉创新团队，以及广东省重点研发项目(编号：2018B030329001)的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1007/s11433-019-1494-4
文章来源：中国科学杂志社
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