日本东北工业大学工学部的柴田宪治教授、本科生泷口智稀、佐藤明、佐佐木悠人，日本东北大学材料科学高等研究所的大冢朋广副教授，使用符合RoHS规范的环境友好型材料，成功实现了对单个半导体胶体量子点中单一自旋状态的评估与磁场控制，同时首次让单电子晶体管在室温下运行。相关成果已发表在《ACS Nano》上。
图1：利用单个胶体量子点制成的单电子晶体管（SET）样品（供图：东京工业大学）
半导体胶体量子点是被称为人工原子的半导体极微小粒子，作为太阳能电池等光电器件的活性层而备受关注，以往的研究中已充分对其光学特性进行了研究。另一方面，对胶体量子点的电学特性研究相对不足，尤其是因技术上难以评估单个胶体量子点的导电行为几乎未被开展，因此仍有大量问题有待进一步阐明。
研究团队在两年前利用单个PbS半导体胶体量子点制备出单电子晶体管（SET），成功实现了此前难以完成的单个量子点电导的详细评估，并首次让SET在室温下运行。该成果为胶体量子点在光电器件和量子信息器件中的应用迈出了重要的第一步。
本次研究中，研究团队使用市售的InAs胶体量子点溶液制备了SET结构。InAs量子点符合RoHS法规，相较PbS具有更好的环境适应性。同时采用导电硅基板作为栅极电极来控制量子点中的电子数，还能通过溶液工艺实现量子点的分散排列。
通过低温测量，研究团队清晰观测到了电子逐个通过量子点流动时呈现的菱形结构（Coulomb diamond），从而确认器件能够作为SET工作。特别是在使用约6纳米量子点的SET中，由于电子间相互作用显著高于室温下的热能，因此在室温也能实现SET运行。这是使用胶体量子点的SET中继PbS之后第二例室温运行的SET，展示了材料差异带来的新的发展方向。
通过解析磁场中的特性变化，研究团队观测到量子点内同一轨道上因自旋方向不同而形成的两个电子能级所对应的两处电导峰在磁场作用下出现明显移动。两个峰之间的间隔随着磁场的增强呈比例扩大，电子能级在泽曼效应（Zeeman effect）下产生的分裂被清楚捕捉到。基于这一行为推导出的表征电子磁场敏感度的g因子高达15，属于极高的数值。而能够获得如此显著的自旋响应，源于InAs本身具有强烈的自旋—轨道相互作用，被认为是实现单一自旋状态检测与控制的主要因素。
此次的研究成果不仅有望推动胶体量子点在光电器件中的应用，还为通过利用量子效应显著的极微小量子点推进量子信息器件和自旋电子学技术开辟了新的可能性。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Nano
论文：Magnetotransport and Coulomb Blockade in Single InAs Colloidal Quantum Dot Transistors
URL：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c14784
