Advanced

Transport Studies of Local-Gate Defined Quantum Dots in Nanowires

Fasth, Carina LU (2007)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Kvantprickar är objekt där elektroner är instängda i en mycket liten volym (av storleksordningen 100 nanometer i varje riktning). I den här avhandlingen har vi studerat kvantprickar definierade i nanotrådar av halvledarmaterial. Nanotrådarna kan vara flera mikrometer långa men samtidigt mycket tunna (mindre än 100 nanometer eller 0,1 mikrometer).



Vi har skapat kvantprickar i nanotrådar genom en teknik där trådarna läggs ovanpå parallella guldelektroder med cirka 30 nanometers mellanrum så att tråden är vinkelrät mot dessa. Då en negativ elektrisk potential appliceras på elektroderna förändras potentiallandskapet i nanotråden. Elektroner repelleras av den negativa spänningen och... (More)
Popular Abstract in Swedish

Kvantprickar är objekt där elektroner är instängda i en mycket liten volym (av storleksordningen 100 nanometer i varje riktning). I den här avhandlingen har vi studerat kvantprickar definierade i nanotrådar av halvledarmaterial. Nanotrådarna kan vara flera mikrometer långa men samtidigt mycket tunna (mindre än 100 nanometer eller 0,1 mikrometer).



Vi har skapat kvantprickar i nanotrådar genom en teknik där trådarna läggs ovanpå parallella guldelektroder med cirka 30 nanometers mellanrum så att tråden är vinkelrät mot dessa. Då en negativ elektrisk potential appliceras på elektroderna förändras potentiallandskapet i nanotråden. Elektroner repelleras av den negativa spänningen och därmed bildas potentialbarriärer ovanför elektroderna och kvantprickar bildas mellan barriärerna där elektroner samlas. Elektriska mätningar visar att vi har kunnat skapa såväl enskilda kvantprickar som två kvantprickar i följd. Genom att förändra spänningen på elektroderna kan vi ändra kvantprickarnas storlek och växelverkan mellan elektroner i olika kvantprickar.



Elektroner har både partikel-och vågegenskaper, och på nanometer skalan till skillnad från i makroskopiska system är vågkaraktären framträdande, vilket leder till icke-klassiska fenomen som inte kan observeras i makroskopiska system. Bara de elektroner vars energier motsvarar stående vågor i kvantpricken kan existera och energin blir därmed kvantiserad till en uppsättning diskreta värden. Vi har kunnat bestämma elektronenergierna i våra nanotråds-kvantprickar samt några andra karakteristiska energistorheter som beskriver växelverkan mellan elektroner. Sådan växelverkan påverkar bland annat länge elektronernas kvanttillstånd är stabilt innan det förändras (så kallad dekoherenstid).



Forskning inom halvledar-och kvantfysik ät till stor del motiverad av utvecklingen inom halvledarindustrin. De elektroniska komponenter som vi använder i stor omfattning i vårt dagliga liv är i ständig utveckling och blir allt mindre, effektivare och billigare. Det finns dock en gräns för hur små till exempel transistorer kan bli och fortfarande fungera på samma sätt som idag. Kvantmekaniska effekter som energikvantisering och tunnling genom elektriskt isolerande skikt blir tillslut alltför märkbara och förstör funktionen. Ett annat hinder mot utvecklingen inom halvledarindustrin är värmeutvecklingen i integrerade kretsar, som ökar då komponenterna packas tätare. Mycket utvecklingsarbete ägnas därför åt att ta fram nya komponenter där de här problemen reduceras, alternativt komponenter som bygger på helt nya principer än traditionell elektronik och där elektronernas kvantegenskaper utnyttjas istället för att vara ett problem.



Kvantprickar är den centrala delen i flera förslag på nya komponenter, som till exempel en-elektron-transistorn. Här kan strömmen, som utgörs av elektroner som passerar igenom kvantpricken en och en, stängas av och på genom en liten förändring av kvantprickens potential (i vårt fall genom att ändra spänningen något på en av de tunna guldelektroderna). I ett (mycket) långt perspektiv är kvantprickar av intresse för att realisera kvantbitar (eng. 'qubits'), som är de grundläggande enheterna i en kvantdator. Här är information lagrad i form av ett visst kvanttillstånd, och stabiliteten hos olika kvanttillstånd är därmed avgörande för funktionen. (Less)
Abstract
This thesis focuses on electrical transport in semiconductor InAs nanowires grown by chemical beam epitaxy. Initially, transport length scales of homogeneous InAs n-type nanowires are characterized by low-temperature magnetoconductance measurements. The measurements show phase-coherent conductivity corrections. By fitting the data, we find the nanowire mean-free path to be 50 nm and the phase-coherence and spin scattering lengths to be ~200nm. The spin scattering is attributed to spin-orbit coupling which is strong in narrow-bandgap semi-conductors such as InAs.



The major part of the thesis work concerns quantum dots in InAs nanowires. We demonstrate a technique where quantum dots are electrostatically induced along the... (More)
This thesis focuses on electrical transport in semiconductor InAs nanowires grown by chemical beam epitaxy. Initially, transport length scales of homogeneous InAs n-type nanowires are characterized by low-temperature magnetoconductance measurements. The measurements show phase-coherent conductivity corrections. By fitting the data, we find the nanowire mean-free path to be 50 nm and the phase-coherence and spin scattering lengths to be ~200nm. The spin scattering is attributed to spin-orbit coupling which is strong in narrow-bandgap semi-conductors such as InAs.



The major part of the thesis work concerns quantum dots in InAs nanowires. We demonstrate a technique where quantum dots are electrostatically induced along the nanowire by depletion of the electronic gas from nano-scale local gate electrodes. The major advantage of this method is the tunability of the devices as the charge states of induced quantum dots and the couplings between them are controlled by external voltages. Using low temperature transport spectroscopy on a single dot in the few-electron Coulomb blockade regime we determine an effective g^*-factor in these dots of 8pm 1. In a two-electron dot we observe a Zeeman-driven ground state transition from singlet S to triplet T^+, which is characterized by an anti-crossing. This is attributed to S-T^+ mixing by spin-orbit coupling and a spin-orbit scattering length of ~130 nm for confined electrons can be extracted from the magnitude of the anti-crossing.



In gate-defined few-electron double quantum dots, we observe a leakage current at the spin-blockaded (1,1) to (0,2) charge transition, which also originates in singlet-triplet mixing. The leakage current is strongly dependent of external magnetic field and of level detuning, however, this dependence changes drastically when the interdot coupling is varied. From a device point of view, the controllable charging of a (many-electron) double dot is utilized to demonstrate the operation of a single electron pump. Within measurement accuracy the pumping current equals one electron per cycle for frequencies up to 2 MHz.



We also consider Ge/Si core-shell heterostructure nanowires wherein the band offsets result in a hole channel in the wire core. Using local top-gates, we demonstrate fully tunable gate-induced single and double quantum dots. Low-temperature transport measurements were used to extract the hole $g$-factor. The data indicate a strongly anisotropic g-factor with |g_parallel|=0.6 and |g_perp|<0.12. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Kotthaus, Jörg P., Center for nanoscience and Department Fuer Physik, Ludwig-Maximilians-Universität Muenchen; Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Semiconductory physics, Fysik, Physics, quantum devices, nanowire, quantum dot, Halvledarfysik
pages
138 pages
publisher
Solid State Physics
defense location
Lecture Hall B, Dept of Physics, Sölvegatan 14C, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2007-10-05 13:15
ISBN
978-91-628-7254-0
language
English
LU publication?
yes
id
03e7ee97-06c2-46b1-9995-63209500807d (old id 598917)
date added to LUP
2007-11-13 07:36:28
date last changed
2016-09-19 08:45:15
@misc{03e7ee97-06c2-46b1-9995-63209500807d,
  abstract     = {This thesis focuses on electrical transport in semiconductor InAs nanowires grown by chemical beam epitaxy. Initially, transport length scales of homogeneous InAs n-type nanowires are characterized by low-temperature magnetoconductance measurements. The measurements show phase-coherent conductivity corrections. By fitting the data, we find the nanowire mean-free path to be 50 nm and the phase-coherence and spin scattering lengths to be ~200nm. The spin scattering is attributed to spin-orbit coupling which is strong in narrow-bandgap semi-conductors such as InAs.<br/><br>
<br/><br>
The major part of the thesis work concerns quantum dots in InAs nanowires. We demonstrate a technique where quantum dots are electrostatically induced along the nanowire by depletion of the electronic gas from nano-scale local gate electrodes. The major advantage of this method is the tunability of the devices as the charge states of induced quantum dots and the couplings between them are controlled by external voltages. Using low temperature transport spectroscopy on a single dot in the few-electron Coulomb blockade regime we determine an effective g^*-factor in these dots of 8pm 1. In a two-electron dot we observe a Zeeman-driven ground state transition from singlet S to triplet T^+, which is characterized by an anti-crossing. This is attributed to S-T^+ mixing by spin-orbit coupling and a spin-orbit scattering length of ~130 nm for confined electrons can be extracted from the magnitude of the anti-crossing.<br/><br>
<br/><br>
In gate-defined few-electron double quantum dots, we observe a leakage current at the spin-blockaded (1,1) to (0,2) charge transition, which also originates in singlet-triplet mixing. The leakage current is strongly dependent of external magnetic field and of level detuning, however, this dependence changes drastically when the interdot coupling is varied. From a device point of view, the controllable charging of a (many-electron) double dot is utilized to demonstrate the operation of a single electron pump. Within measurement accuracy the pumping current equals one electron per cycle for frequencies up to 2 MHz.<br/><br>
<br/><br>
We also consider Ge/Si core-shell heterostructure nanowires wherein the band offsets result in a hole channel in the wire core. Using local top-gates, we demonstrate fully tunable gate-induced single and double quantum dots. Low-temperature transport measurements were used to extract the hole $g$-factor. The data indicate a strongly anisotropic g-factor with |g_parallel|=0.6 and |g_perp|&lt;0.12.},
  author       = {Fasth, Carina},
  isbn         = {978-91-628-7254-0},
  keyword      = {Semiconductory physics,Fysik,Physics,quantum devices,nanowire,quantum dot,Halvledarfysik},
  language     = {eng},
  pages        = {138},
  publisher    = {ARRAY(0xa423320)},
  title        = {Transport Studies of Local-Gate Defined Quantum Dots in Nanowires},
  year         = {2007},
}