近日，廈門大學寬禁帶半導體團隊基于掃描隧道探針技術在量子點電子態(tài)和自旋態(tài)操控領域取得重要進展，相關成果以“Manipulations of electronic and spin states in Co-quantum dot/WS2 heterostructure on a metal-dielectric composite substrate by controlling interfacial carriers”為題發(fā)表于《Nano Letters》上。

電荷和自旋是載流子的兩種固有屬性，幾乎決定著材料中所有的物理過程和操作原理，是現(xiàn)代信息技術發(fā)展的基石。多種高運算速度、低功耗、非易失性的新型電子器件在此基礎上應運而生。尤其隨著摩爾定律的不斷推進，在量子尺度上實現(xiàn)電荷和自旋的操控，觀測并理解其微觀物理過程，對于自旋電子學的發(fā)展和自旋電子器件的實際應用而言至關重要。

廈門大學寬禁帶半導體團隊借助掃描隧道探針技術，并設計采用金屬介質復合襯底，實現(xiàn)了對Co量子點/WS2異質結電子態(tài)和自旋態(tài)的調控。

圖1. 基于掃描隧道探針技術的電子與自旋態(tài)操控

本工作首先采用化學氣相沉積（CVD）方法制備了WS2薄膜并轉移至金屬介質復合襯底，而后通過原位分子束外延（MBE）技術在其表面生長全同的Co量子點，形成耦合異質結構。該體系為電子態(tài)和自旋態(tài)操控提供了優(yōu)異的研究平臺。本工作的主要創(chuàng)新思想在于金屬介質復合襯底的設計和掃描隧道探針的電子注入。復合襯底的引入可顯著增強界面勢壘，并結合掃描隧道探針的載流子注入，使載流子在Co量子點/WS2異質結與襯底之間形成有效的空間積累，進而實現(xiàn)量子點的電子與自旋態(tài)的調控。

研究發(fā)現(xiàn)，使用非磁性探針在單極性偏置的多次掃描、偏置極性切換以及施加脈沖等多種方式下，可使Co量子點的電子態(tài)形貌在亮態(tài)和暗態(tài)之間進行規(guī)律且可重復的轉換，且在切換偏壓極性時，量子點的電子態(tài)發(fā)生了滯后的轉變現(xiàn)象（圖2）。第一性原理計算表明，量子點電子態(tài)的轉變歸結于載流子注入及其界面積累所導致的量子點量子能級的移動（圖3）。

圖2. 非磁性掃描探針對全同Co量子點電子態(tài)形貌的調控

圖3. 正負偏壓下界面勢壘及Co量子點/WS2異質結投影態(tài)密度的演變

 該電子態(tài)的有效調控為實現(xiàn)量子點自旋態(tài)的操控提供了可能。團隊進一步通過磁性掃描探針進行自旋極化載流子的注入和積累，并發(fā)現(xiàn)了不同于非磁性探針作用下的電子態(tài)形貌轉變，即隨著磁性鎳探針的持續(xù)自旋注入（圖4），處于占據(jù)態(tài)的量子點自旋態(tài)表現(xiàn)出亮態(tài)到暗態(tài)進而又返回暗態(tài)的連續(xù)調控效應；而處于未占據(jù)態(tài)的量子點自旋態(tài)表現(xiàn)出相反的變化過程。第一性原理計算揭示了該量子點自旋態(tài)的變化是由于載流子積累導致的磁各向異性能的演變（圖5）。

圖4. 磁性掃描探針對全同Co量子點自旋態(tài)形貌的調控

圖5. 第一性原理計算Co-QDs/WS2的自旋電子特性

本工作表明金屬-電介質復合襯底成功地構造了載流子積累的界面電勢，結合掃描隧道探針技術實現(xiàn)了量子尺度下電子態(tài)和自旋態(tài)可控的電調制。這些結果將促進量子體系中電子與物質相互作用的探索，并為推動自旋電子學的發(fā)展提供創(chuàng)新的途徑。 

該工作在廈門大學物理系康俊勇教授、吳雅蘋教授、吳志明教授的指導下完成，物理系博士研究生張宗南、唐唯卿博士為本文共同第一作者，該工作得到了國家自然科學基金項目的資助。

文章鏈接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04831

（來源：廈大物理）