【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京量子信息科學(xué)研究院(以下簡稱“量子院”)半導(dǎo)體量子計(jì)算團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院物理研究所等單位合作，在超導(dǎo)/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料外延生長與界面態(tài)研究方面取得新進(jìn)展。開發(fā)了具有原子級平坦非共格界面的鋁/鍺異質(zhì)結(jié)薄膜材料，并首次觀測到了界面局域態(tài)對電子反射的調(diào)制作用。2025年11月29日，相關(guān)成果以"Atomically Resolved Electron Reflectivity at a Metal/Semiconductor Interface"為題在線發(fā)表在《Advanced Science》上。
 

　　超導(dǎo)/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料在約瑟夫森場效應(yīng)晶體管、超導(dǎo)二極管、超導(dǎo)量子比特和拓?fù)淞孔颖忍刂芯哂兄匾獞?yīng)用。材料的結(jié)晶質(zhì)量、界面平整度等因素是決定這些量子器件性能的關(guān)鍵。擁有原子級銳利界面的單晶超導(dǎo)/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，可有效降低由復(fù)雜界面結(jié)構(gòu)引起的缺陷態(tài)，從而為清晰揭示量子器件中的前沿物理機(jī)理提供理想載體。研究團(tuán)隊(duì)基于分子束外延技術(shù)，在鍺(111)襯底上生長出了高品質(zhì)的單晶鋁(111)薄膜?；谕干潆婄R(TEM)的原子成像與掃描隧道顯微鏡(STM)對鋁中量子阱態(tài)的表征，證實(shí)在金剛石結(jié)構(gòu)的鍺上制備出了面心立方結(jié)構(gòu)的單晶鋁薄膜，并且獲得了原子級平坦的非共格界面。界面處，5個鍺原子的晶格長度與7個鋁原子的晶格長度相匹配，形成了5比7的公度結(jié)構(gòu)。STM局域二階微分電導(dǎo)(d2I/dV2)譜的表征結(jié)果指出：不同測量位置具有一致的電子-聲子散射譜學(xué)特征。這表明電子-聲子耦合強(qiáng)度保持均勻分布，進(jìn)一步證實(shí)了鋁薄膜物性的空間均勻性。
 

　　圖1. (a) 鋁/鍺異質(zhì)結(jié)薄膜的原子分辨級截面TEM圖像。(b) 厚度為2nm的鋁薄膜表面的原子分辨級STM圖像。(c) 利用金修飾后的STM探針測量的鋁表面Moiré圖樣。插圖：沿白色虛線位置的高度分布。(d) 鋁/鍺界面原子排列示意圖。虛線菱形標(biāo)示出2nm周期的公度超胞結(jié)構(gòu)。
 

　　利用STM探測鋁薄膜中的量子阱態(tài)，能將材料中界面埋層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化，表現(xiàn)為STM表面成像中的Moiré圖樣。研究發(fā)現(xiàn)，鋁薄膜的微分電導(dǎo)(dI/dV)譜中量子阱峰的峰寬受到材料界面晶格的調(diào)制，呈現(xiàn)出橫向的周期性變化。引入一維Fabry-Perot干涉腔的物理模型對STM實(shí)驗(yàn)中電子的相干隧穿過程進(jìn)行模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完好擬合，揭示了量子阱峰寬的局域變化源自于鋁/鍺界面態(tài)對電子反射率的調(diào)制?；谠撔缕娆F(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了一種用于無損表征金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)界面態(tài)的方法，即利用STM探測電子在材料中的相干隧穿過程來表征界面態(tài)。
 

　　圖2.(a)厚度為2nm的鋁薄膜表面的局域dI/dV譜。(b)厚度為2nm的鋁薄膜表面的STM形貌圖，彩色‘X’標(biāo)記了圖a中譜線的測量位置。(c)厚度為10nm的鋁薄膜表面的平均dI/dV譜。(d)厚度為10nm的鋁薄膜上用金修飾的鈍針尖所測量的STM形貌圖，彩色‘X’標(biāo)記了圖e與f中譜線的測量位置。(e)從圖d中不同位置獲得的局域dI/dV譜，量子阱態(tài)峰位的一致性證實(shí)了界面的原子級平整度。(f)不同位置的局域d2I/dV2譜，特征峰的一致性證實(shí)了電子-聲子耦合強(qiáng)度的空間均勻性。
 

　　圖3 (a)STM表征鋁/鍺界面態(tài)的原理示意圖。(b)能帶示意圖與電子相干隧穿過程的示意圖。(c)界面態(tài)調(diào)制電子反射的示意圖。
 

　　該項(xiàng)成果驗(yàn)證了分子束外延鋁/鍺異質(zhì)結(jié)中的高品質(zhì)材料界面，發(fā)現(xiàn)了界面態(tài)對電子反射的調(diào)制作用，并發(fā)展了原位無損探測界面態(tài)的STM表征方法。該成果在超導(dǎo)/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料的制備與表征、超導(dǎo)量子器件與拓?fù)淞孔悠骷芯糠矫婢哂兄匾饬x。
 

　　量子院助理研究員黃鼎銘與王建桓為該論文共同第一作者。共同通訊作者為量子院黃鼎銘助理研究員、首席科學(xué)家徐洪起教授，和中國科學(xué)院物理所張建軍研究員。論文合作者還包括松山湖材料實(shí)驗(yàn)室副研究員張結(jié)印和中國科學(xué)院物理所副研究員姚湲。該工作獲得了國家自然科學(xué)基金和科技創(chuàng)新2030國家科技重大專項(xiàng)等的支持。