文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
石墨烯量子点量子输运性质的实验研究
姓名:汪林俊
申请学位级别:博士
专业:光学
指导教师:郭光灿;郭
2011-05
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作者签名:___________
年月日
摘要
摘要
量子信息科学从兴起以来一直吸引着广大科学家们的研究热情,展现出了非
常广阔的发展空间。这一领域始终保持着非常活跃的研究氛围,一系列卓越的研
究成果、先进技术涌现出来。新的观点和问题也被不断提出,与其它学科交叉不
断深入。
基于半导体量子点上的电子自旋自由度制备半导体量子芯片,进行固态量子
信息过程的处理是一个非常有希望的研究方向。目前在这一方向已经有了很多卓
越的研究成果,但是同时也仍然面临着诸多困难。比如如何提高自旋量子比特的
退相干时间等。科学家们正在努力探寻解决的办法,其中一个办法就是开发利用
新材料来取代传统的砷化镓半导体材料。
本论文的研究工作,是以石墨烯材料为基础加工制造各种量子点体系,包括
单量子点、单电子晶体管超灵敏测量、串联双量子点、并联双量子点;并且通过
低温输运实验测量,研究量子点系统的一些基本特性。
文章主要内容:
1. 对量子信息、量子计算机、半导体量子芯片概念的简单介绍,石墨烯二维材
料物理和电学性质的描述。

2. 石墨烯量子点的加工制备过程和方法,并对加工过程中所使用的各种仪器做
了介绍和说明,给出了相关的实验参数条件。

3. 石墨烯单量子点的低温输运实验测量,看到库仑阻塞效应,得到了标准的库
仑菱形电荷状态图。观测到量子点上电子的基态和激发态能谱,并在此基础
上计算出相应的电荷充电能和耦合电容。

4. 设计了大小不同的两个量子点结构,其中大的量子点也被称为单电子晶体管
(SET), 被用作探测器读出旁边小量子点内的电荷状态。单电子晶体管
10−3 e / Hz 的高灵敏度,使得我们可以清楚地探测到量子点内的库仑充电信
号和激发态能谱,甚至传统输运测量看不到的微弱库仑充电信号也能被探测
到。

5. 我们加工测量了多栅极调控的石墨烯串联双量子点器件,通过低温输运测量
得到了双点耦合蜂窝图,双点的耦合强度可以从弱到强的调节。通过计算双
点分子态波函数,我们提取出了很大的遂穿耦合能,表明这种高度可控的系
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摘要
统非常有望成为将来无核自旋的量子信息器件。

6. 我们加工测量了栅极调控的双层石墨烯并联双量子点,通过背栅和侧栅电极
,我们
抽取出了相关的耦合电容、耦合能等参数。

7. 对论文工作的总结,给出了在已有实验基础上,开展下一步实验的计划和目
标。我们设计并加工了新的在双点结构上增加探测器的样品。

本论文的主要创新点为:
1. 对石墨烯量子点体系系统化的研究,包括单量子点、双量子点(串联和并联)、
单电子晶体管探测器。研究思路清晰,循序渐进,以制备性能良好、功能完
善的石墨烯量子芯片为目标。

2. 在石墨烯量子点中,观测到清晰的电子激发态谱。并利用单电子晶体管对量
子点进行超灵敏度测量,给出其激发态谱。

3. 利用量子力学遂穿原理研究石墨烯串联双量子点内分子态演化。计算出双点
的遂穿能。

4. 设计和加工了石墨烯并联双量子点样品,低温输运性质的测量给出了很好的
双点耦合图,利用集成的平面栅极可以很好地调控双量子点的耦合状态。

5. 给出了石墨烯双点系统加探测器的设计。初步的测试表明这种器件可以稳定
工作。

关键词:石墨烯,量子点,双量子点,单电子晶体管。

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Abstract
Abstract
Quantum information area keeps attracting scientists’ research intere