Het nauwkeurig manipuleren van individuele ladingsdragers is een hoeksteen voor transistors met één elektron en voor elektronische apparaten van de toekomst, inclusief solid-state quantumbits (qubits). Quantum dots (QD's) vormen het hart van deze apparaten. In een recente Nano-letters papier, onderzoekers van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) presenteren de eerste mechanisch afstembare monolaag grafeen QD waarvan de elektronische eigenschappen kunnen worden gewijzigd door in-plane nanometer verplaatsingen.

Om toegang te krijgen tot zowel de elektrische als mechanische informatie van het monster, de onderzoekers gebruikten een platform genaamd de mechanisch gecontroleerde breekjunctie om de elektromechanische eigenschappen van hun apparaat te meten tijdens driepuntsbuigen. Het monster bestaat uit een van der Waals-heterostructuur die is gemaakt door verschillende 2-D-materiaalvlokken op een flexibel substraat te stapelen:een grafiet-achterpoort om de stroom door het apparaat elektrostatisch te regelen, een hexagonale boornitride diëlektrische laag en een monolaag grafeen geleidend kanaal.

Een vlinderdas breken

De resultaten van de kamertemperatuurmetingen tijdens het buigen laten zien dat het grafeen, gevormd in een nanobowtie-vorm met een vernauwingsbreedte van 160 nm, breekt uiteindelijk (nulstroom) maar kan ook opnieuw worden gemaakt (microampèrestromen) als gevolg van verschuiving en overlapping van de grafeenranden. "We hebben hetzelfde type metingen uitgevoerd bij cryogene temperaturen (4K), en het in kaart brengen van de stroom als functie van de gate-spanning en bias-spanning onthulde een duidelijk ruitpatroon", zegt hoofdauteur Sabina Caneva van de TU Delft. "Dit betekent dat er een QD aanwezig is in de junctie."

Opvallend, met behulp van mechanische verplaatsingen op nanoschaal, de onderzoekers toonden aan dat zowel de capacitieve als de tunnelkoppeling van de QD naar de grafeenleidingen op een volledig omkeerbare manier kunnen worden afgestemd. "We bereikten een modulatie van vijf orde van grootte van de tunnelkoppeling naar de afvoerelektrode, die aanzienlijk hoger is dan is gerapporteerd voor QD's onder uitsluitend elektrische controle, " zei Caneva. De geometrie van het apparaat maakt de vorming mogelijk van een dubbellaags overlapgebied van grafeen, waarbij de lengte van de overlap kan worden gevarieerd met sub-nm besturing door een mechanische afstemknop.

Overlapping afstemmen

belangrijk, hierdoor konden de onderzoekers de asymmetrie in de tunnelkoppelingen wijzigen door de overlap tussen de QD en de afvoerelektrode te veranderen. "Zo'n volledige en omkeerbare manipulatie van een grafeen QD, waarbij de elektrostatica en koppelingen zowel mechanisch als elektronisch kunnen worden aangestuurd, is ongekend, " zei Pascal Gehring, laatste auteur van het artikel. "Deze resultaten zijn relevant voor toepassingen waarbij een gedetailleerd begrip van het effect van tunnelingasymmetrie cruciaal is voor de prestaties van apparaten, zoals in kwantumcalorimetrie en in QD-energieoogsters."

Het MCBJ-platform kan worden uitgebreid naar andere 2D-materialen met het vooruitzicht om het transportgedrag bij lage temperaturen onder elektrische en mechanische invloed te onderzoeken. Vooral, het kan zich lenen voor de vorming, breuk en gecontroleerde overlap van ultrasmalle vernauwing in supergeleidende dunne films, waardoor een nieuwe benadering wordt geboden voor het manipuleren van het Josephson-effect in een apparaat in het vliegtuig.