鍺/硅量子線具有高空穴遷移率、低超精細(xì)相互作用、強(qiáng)自旋-軌道相互作用以及與硅兼容等優(yōu)點(diǎn)，成為實(shí)現(xiàn)硅基高性能自旋甚至拓?fù)淞孔佑?jì)算的材料系統(tǒng)（https://arxiv.org/abs/2004.08133）。盡管非面內(nèi)生長(zhǎng)的量子線在新奇物性探索方面取得了很多重要成果，但缺少面內(nèi)按需定位生長(zhǎng)量子線是阻礙量子器件精確尋址和大規(guī)模擴(kuò)展集成的瓶頸。

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心納米物理與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員張建軍長(zhǎng)期從事硅鍺量子材料的外延制備和物性研究工作。他首次在Si(001)襯底上實(shí)現(xiàn)了Ge量子線無(wú)需使用金屬催化劑的面內(nèi)生長(zhǎng)（Phys. Rev. Lett. 109, 085502 (2012)），解決了傳統(tǒng)VLS方法生長(zhǎng)中Ge量子線存在金屬污染及難以大規(guī)模轉(zhuǎn)移和排列的問題。近年來與國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作，成功利用這種量子線制備了首個(gè)Ge量子比特（Nat. Comm. 9, 3902 (2018)），實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)與超導(dǎo)微波諧振腔的耦合（Nano Lett. 18, 2091-2097 (2018)）。

　　在上述研究基礎(chǔ)之上，為解決面內(nèi)Ge量子線按需定位生長(zhǎng)的難題，課題組博士生高飛（已畢業(yè)）和王建桓等在張建軍的指導(dǎo)下，結(jié)合納米加工和分子束外延（MBE），成功在Si(001)圖形襯底上實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)面內(nèi)Ge量子線位置、長(zhǎng)度、周期以及結(jié)構(gòu)的可控生長(zhǎng)。如圖，Ge量子線位于凹槽邊緣，尺寸非常均勻，無(wú)缺陷，高度為3.8 nm，標(biāo)準(zhǔn)偏差僅0.11 nm，長(zhǎng)度原則上可以任意長(zhǎng)。此外，還實(shí)現(xiàn)了緊密排列的平行Ge量子線以及“口”、“L”形等特殊結(jié)構(gòu)的有序陣列。在生長(zhǎng)機(jī)制研究方面與西安交通大學(xué)副教授胡昊及猶他大學(xué)教授劉鋒合作，解釋了面內(nèi)Ge量子線在槽邊優(yōu)先成核和定位生長(zhǎng)的機(jī)理；在器件研究方面與奧地利科學(xué)技術(shù)研究所教授Georgios Katsaros以及瑞士巴塞爾大學(xué)教授Daniel Loss小組合作，觀測(cè)和理解了自旋軌道耦合強(qiáng)度和InAs，InSb量子線相當(dāng)?shù)目呻妶?chǎng)調(diào)控強(qiáng)自旋軌道作用，并且觀測(cè)到緊密排列量子線上量子點(diǎn)間的電容耦合。圖形結(jié)構(gòu)制備及材料表征得到中科院微電子研究所王桂磊和物理所姚湲的支持。該研究工作為Ge量子器件的精確尋址和大規(guī)模擴(kuò)展集成奠定了重要的材料基礎(chǔ)。研究成果最近以Site-Controlled Uniform Ge/Si Hut Wires with Electrically Tunable Spin-Orbit Coupling 為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》上（Adv. Mater. 32, 1906523 (2020)），并被選為inside front cover。

　　該工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（批準(zhǔn)號(hào)：2016YFA0301701，2016YFA0300600）、國(guó)家自然科學(xué)基金委（批準(zhǔn)號(hào)：11574356，11434010，11404252）以及中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)（專項(xiàng)編號(hào)：XDB30000000）的支持。

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　　晶圓級(jí)硅基鍺量子線的自組裝定位生長(zhǎng)研究獲進(jìn)展