日本東北工業大學工學部的柴田憲治教授、本科生瀧口智稀、佐藤明、佐佐木悠人，日本東北大學材料科學高等研究所的大冢朋廣副教授，使用符合RoHS規範的環境友好型材料，成功實現了對單個半導體膠體量子點中單一自旋狀態的評估與磁場控制，同時首次讓單電子電晶體在室溫下運行。相關成果已發表在《ACS Nano》上。
圖1：利用單個膠體量子點製成的單電子電晶體（SET）樣品（供圖：東京工業大學）
半導體膠體量子點是被稱為人工原子的半導體極微小粒子，作為太陽能電池等光電器件的活性層而備受關注，以往的研究中已充分對其光學特性進行了研究。另一方面，對膠體量子點的電學特性研究相對不足，尤其是因技術上難以評估單個膠體量子點的導電行為幾乎未被開展，因此仍有大量問題有待進一步闡明。
研究團隊在兩年前利用單個PbS半導體膠體量子點製備出單電子電晶體（SET），成功實現了此前難以完成的單個量子點電導的詳細評估，並首次讓SET在室溫下運行。該成果為膠體量子點在光電器件和量子資訊器件中的應用邁出了重要的第一步。
本次研究中，研究團隊使用市售的InAs膠體量子點溶液製備了SET結構。InAs量子點符合RoHS法規，相較PbS具有更好的環境適應力。同時採用導電矽基板作為柵極電極來控制量子點中的電子數，還能通過溶液工藝實現量子點的分散排列。
通過低溫測量，研究團隊清晰觀測到了電子逐個通過量子點流動時呈現的菱形結構（Coulomb diamond），從而確認器件能夠作為SET工作。特別是在使用約6奈米量子點的SET中，由於電子間相互作用顯著高於室溫下的熱能，因此在室溫也能實現SET運行。這是使用膠體量子點的SET中繼PbS之後第二例室溫運行的SET，展示了材料差異帶來的新的發展方向。
通過解析磁場中的特性變化，研究團隊觀測到量子點內同一軌道上因自旋方向不同而形成的兩個電子能階所對應的兩處電導峰在磁場作用下出現明顯移動。兩個峰之間的間隔隨著磁場的增強呈比例擴大，電子能階在澤曼效應（Zeeman effect）下產生的分裂被清楚捕捉到。基於這一行為推導出的表徵電子磁場敏感度的g因子高達15，屬於極高的數值。而能夠獲得如此顯著的自旋響應，源於InAs本身具有強烈的自旋—軌道相互作用，被認為是實現單一自旋狀態檢測與控制的主要因素。
此次的研究成果不僅有望推動膠體量子點在光電器件中的應用，還為通過利用量子效應顯著的極微小量子點推進量子資訊器件和自旋電子學技術開闢了新的可能性。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：ACS Nano
論文：Magnetotransport and Coulomb Blockade in Single InAs Colloidal Quantum Dot Transistors
URL：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c14784
