Att just manipulera enskilda laddningsbärare är en hörnsten för enelektrontransistorer och för framtidens elektroniska enheter, inklusive halvledarkvantbitar (qubits). Quantum dots (QDs) är kärnan i dessa enheter. I en nyligen Nanobokstäver papper, forskare vid Delfts tekniska universitet (TU Delft) presenterar den första mekaniskt avstämbara monolager grafen QD vars elektroniska egenskaper kan modifieras genom nanometerförskjutningar i planet.

För att få tillgång till både elektrisk och mekanisk information från provet, forskarna använde en plattform som kallas den mekaniskt styrda brytpunkten för att mäta de elektromekaniska egenskaperna hos sin enhet under trepunktsböjning. Provet består av en van der Waals-heterostruktur gjord genom att stapla flera 2D-materialflingor ovanpå ett flexibelt substrat:en bakgrind av grafit för att elektrostatiskt kontrollera strömmen genom enheten, ett hexagonalt dielektriskt skikt av bornitrid och en ledande kanal för grafen i ett skikt.

Att bryta en fluga

Resultaten av rumstemperaturmätningarna under böjning visar att grafen, mönstrad till en nanobowtieform med en sammandragningsbredd på 160 nm, så småningom går sönder (noll ström) men kan också göras om (mikroampereströmmar) på grund av glidning och överlappning av grafenkanterna. "Vi utförde samma typ av mätningar vid kryogena temperaturer (4K), och kartläggning av strömmen som en funktion av grindspänningen och förspänningen avslöjade ett tydligt diamantmönster." sa huvudförfattaren Sabina Caneva från TU Delft. "Detta betyder att en QD finns i korsningen."

Slående, med hjälp av mekaniska förskjutningar i nanoskala, forskarna visade att både de kapacitiva och tunnelkopplingarna av QD till grafenledningarna kan ställas in på ett helt reversibelt sätt. "Vi uppnådde en modulering av fem storleksordningar av tunnelkopplingen till dräneringselektroden, vilket är betydligt högre än vad som har rapporterats för QDs under enbart elektrisk kontroll, " sa Caneva. Enhetsgeometrin tillåter bildandet av ett grafenbilageröverlappande område, där längden på överlappningen kan varieras med sub-nm-kontroll med en mekanisk avstämningsratt.

Justera överlappningen

Viktigt, detta gjorde det möjligt för forskarna att modifiera asymmetrin i tunnelkopplingarna genom att ändra överlappningen mellan QD och dräneringselektroden. "En sådan fullständig och reversibel manipulation av en grafen QD, där elektrostatiken och kopplingarna kan styras både mekaniskt och elektroniskt, är utan motstycke, sa Pascal Gehring, tidningens sista författare. "Dessa resultat är relevanta för applikationer där en detaljerad förståelse av effekten av tunnelasymmetri är avgörande för enhetens prestanda, såsom i kvantkalorimetri och i QD-energiskördare."

MCBJ-plattformen kan utökas till andra 2D-material med utsikten att utforska lågtemperaturtransportbeteendet under elektrisk och mekanisk påverkan. Särskilt, den kan lämpa sig för formationen, brott och kontrollerad överlappning av ultrasmal sammandragning i supraledande tunna filmer, därigenom tillhandahåller ett nytt tillvägagångssätt för att manipulera Josephson-effekten i en anordning i planet.