基于钛酸锶的新型栅极可调高迁移率器件

钛酸锶(SrTiO3)是一种具有钙钛矿结构的锶和钛的氧化物，具有许多有利的特性，包括自旋轨道耦合、电可调谐性和非常规超导性。与铝或铌等传统金属的超导性相比，SrTiO3的超导性在低电子密度下仍然存在，可以通过施加电压来控制。

SrTiO3的独特性质使其成为量子技术发展的有前途的材料。然而，由于SrTiO3纳米结构的高度无序性，迄今为止这些器件的开发已被证明相当具有挑战性。

斯坦福大学、SLAC国家加速器实验室和其他机构的研究人员最近实现了基于SrTiO3的新型栅极可调器件，具有高电子迁移率。《自然电子》杂志上发表的一篇论文介绍了这些设备，可以传输量子化电荷，这可能对基于SrTiO3的量子技术的发展产生有价值的影响。

“我们想了解如何在SrTiO3中制造纳米级窄通道，”进行这项研究的研究人员之一EvgenyMikheev告诉TechXplore。“这种材料在技术和科学上都很有趣，因为它具有不同寻常的超导性，在低密度下可以通过向类似晶体管结构内的栅极接触施加电压来控制超导性。

“我们的主要目标是制造缺陷和杂质(‘无序’)数量足够低的器件，以进入电道流过狭窄收缩区而不与缺陷碰撞的状态。在非常干净的样品中，这可能会导致量子化电荷通过离散的弹道通道进行传输。这可以清楚地观察到，因为我们论文中显示的电导数据中的平台之间存在台阶。”

米赫耶夫和他的同事实现的设备具有经过仔细研究的独特设计，可通过离散弹道通道实现量化电荷传输。它们基于SrTiO32D电子气通道和离子液体栅极，并被薄薄的氧化铪阻挡层分开。

“我们的研究建立在大卫·戈德哈伯-戈登小组之前的两篇作品的基础上，”米赫耶夫解释道。“第一篇是我之前于2021年发表的论文，其中我们报道了钛酸锶中的狭窄收缩。它是通过使用称为离子液体门控的技术在SrTiO3表面创建二维电子气而制成的。离子液体局部“通过纳米图案栅极接触，钛酸锶‘遮蔽’，产生收缩。我们在这项研究中想要改进的方面是减少无序。”

减少SrTiO3中的无序性。Mikheev和他的同事设计了一种解决方案，该解决方案建立在DavidGoldhaber-Gordon小组、PatrickGallagher领导的早期研究的基础上，该研究重点关注离子液体门控SrTiO3器件。这些设备太宽，无法表现出任何弹道量化效应。然而，研究小组发现，通过在离子液体和SrTiO3之间插入一层非常薄的六方氮化硼，可以显着减少器件中的无序和杂质。

Mikheev表示：“Goldhaber-Gordon团队在2015年采用的基于薄六方氮化硼薄片剥离的工艺与我们2021年研究中使用的纳米级图案化工艺不兼容。”“在《自然电子》的工作中，我们能够用通过原子层沉积沉积的氧化铪代替氮化硼，这是一种更直接且易于重现的工艺，可以制造非常薄的势垒。新工艺实现了类似的无序性减少，同时还允许我们添加纳米级设备功能。”

利用他们的设计策略，Mikheev和他的同事能够创建基于SrTiO3的栅极可调和高迁移率器件，该器件可以传输量子化电荷。未来，他们的工作可以作为使用SrTiO3开发具有量子传输功能的新型纳米器件的蓝图，这反过来又有助于创造有前途的超导或拓扑量子位。

米赫耶夫补充道：“我的长期计划是将这种材料开发成量子信息技术平台，或者其中的一个组成部分。”“这项工作还有几个有趣的未解决的开放科学问题。其中一个是‘Y形’子带的起源，直到非常高的磁场才显示自旋分裂。这是一个不寻常的特征，也被观察到匹兹堡大学的JeremyLevy团队开发了一种基于SrTiO3的不同类型的纳米器件。我们还不了解它的起源，但我们希望在后续实验中阐明它。”