窄帶InSb半導體材料以其高電子遷移率、大Lande g因子和強載流子軌道耦合特性而聞名，已成為載流子電子學、紅外探測、熱電和化合物半導體超導器件的重要選擇。 新型量子比特和拓撲量子比特的候選材料。 由InSb制成的低維納米結構，例如納米面條或納米結構（或量子阱），由于豐富的量子現象和優異的可控性也顯示出巨大的潛力。 然而，InSb量子阱由于晶格常數大，難以在絕緣襯底上外延生長。 解決這個問題的一種方法是自下而上地獨立生長無缺陷的納米結構。 這些通過氣-液-固（VLS）生長的納米片結構具有極高的晶體質量，顯示出單晶或近單晶硅的優異特性。 在之前的研究中，生長過程幾乎總是源自單個催化劑種子顆粒，因此對位置、產率和方向幾乎無法控制。
巴塞羅那理工學院Erik院長指導中學生Marco等人與中國科學技術大學數學研究所/上海數學國家研究中心HX-Q02組特聘研究員沉杰合作匯態化學與張志遠、李國安、石家宇、楊光等中學生合作開發了一種在預定位置、以預設數量（頻率）和固定方向/排列生長納米結構（可控生長）的新方法通過金屬有機液相外延（MOVPE）量子物理基礎，并在其制備過程中采用高溫電輸運檢測，在量子成分中觀察到了不同晶體結構對應的特征結構。 通過這種方式，通過在基板上制作 V 形槽切口并精確控制從傾斜且相對的 {111}B 面生長的成對納米罐的合并來生產納米片。
圖1(a) InSb納米表面和納米片基底的示意圖。 在 InP (100) 晶圓上制作 V 形槽切口（“溝槽”），露出 (111) B 面。 通過在InP(111)B切割表面上的預定位置爆炸來制備金顆粒，并在其上生長InSb納米面。 通過在相對的 InP(111)B 面上沉積 Au 粒子，InSb 納米面將合并產生 e) 納米橋和 f) 納米片。
納米塊的形貌和晶體結構由兩個那拉面的相對取向決定。 TEM和其他分析結果表明，存在三種不同的納米片形貌與不同的氫鍵排列相關：無氫鍵（I型）、Σ3-氫鍵（II型）和Σ9-氫鍵（III型）。 隨后的組件制備和輸運測試表明，I型和II型均表現出良好的輸運性能，具有良好的量子霍爾效應，并具有量子化平臺，同時還具有較高的場效應遷移率。 . 相比之下，由于特殊構象的存在，III型納米表面表現出遷移率顯著增加和較差的量子霍爾行為，并且在展寬光譜中觀察到象征勢壘的零展寬濁度谷。 這種現象歸因于Σ9氫鍵帶來的勢壘對輸運性質的影響。
圖2 三種InSb納米片的晶體取向和最終形貌之間的關系。
圖3 三種InSb納米片的形貌演變。
這項研究的結果表明，通過這些方法制備的I型和II型納米片表現出潛在的傳輸特性，并且適用于各種量子組件。 特別是，這些生長方案使 InSb 納米表面能夠與 InSb 納米片一起生長，兩者都具有預定的位置和方向，并且可以創建復雜的陰影幾何形狀和納米表面網絡形狀。 一旦與超導體定向沉積相結合，就可以用最少的制備步驟形成高質量的InSb超導復合量子元件，為拓撲量子位和新型復合量子位提供元件平臺。 據悉量子物理基礎，與分子束外延（MBE）生長的InSb納米片相比，這些技術生長的InSb納米片更薄，更有利于量子化現象的發生并降低可控性。
圖4 三種納米片的高溫電傳輸檢測。 ac) 將兩端的濁度顯示為背柵電流 Vbg 和磁場 B 的函數，即 扇形圖。 插圖中顯示的是偽彩色 SEM 圖像。 納米薄片與鋁電極（紅色）接觸，Σ3 和 Σ9 氫鍵分別用紅色和綠色實線標記。 df) ac) 在 4T、8T 和 11T 的扇形圖的橫截面，顯示量化平臺的存在與否。 gi)是三種納米片在低磁場下的微分濁度dI/dV與Vbias和Vbg之間的函數關系。 可以看出，在i)中，存在與晶粒對應的零加寬濁谷。 j) 由三種不同類型的納米片制成的八種元素的場效應遷移率，顯示了三種類型的納米片的不同遷移率。
相關研究成果于2023年2月8日以“andof-”為題在線發表。 該工作得到了國家自然科學基金（和）、中國科學技術大學先導項目（）、上海科技新星（Z2144）和極端條件綜合實驗裝置（SECUF）的支持。
