Enhanced single photon emission from carbon nanotube dopant states coupled to silicon microcavities
单壁碳纳米管作为室温量子光源和硅基集成光子电路的纳米级光源是一种很有前途的材料。在这里，我们表明，在碳纳米管和硅微腔中的掺杂剂状态的集成可以在室温下在硅光子学平台上提供明亮和高纯度的单光子发射器。我们进行光致发光光谱和观察增强发射的掺杂剂状态的一个因素的$\sim$ 100，和腔增强的辐射衰减确认使用时间分辨测量，其中观察到$\sim$ 30%的发射寿命减少。通过光子相关测量研究了腔耦合掺杂态发射光子的统计特性，观察到了高纯度的单光子产生。光子发射统计的激发功率依赖性表明，即使当激发功率增加时，光子反聚束的程度也可以保持较低，而单光子发射率可以增加到$\sim 1.7 \times 10^7$ Hz。
2018-03-23 cond-mat.mes-hall
Transport spectroscopy of a single dopant in a gated silicon nanowire
我们报告了硅中单个掺杂原子的光谱，通过从绝缘体上硅刻蚀的栅纳米线的源极和漏极之间的共振隧穿。在沟道中隔离的这种掺杂剂的电子态在低于导带边缘的能量下在低温电导中表现为共振。我们观察到在磁场作用下，自旋向上和自旋向下的电子先后占据两种可能的电荷态。第一个共振与砷供体的中性$D^0$态的结合能一致。第二共振示出了由于带电的$D^-$状态与电极的静电耦合而降低的充电能量。在磁场下的激发态和塞曼分裂呈现出巨大的能量，潜在地可用于构建原子尺度的器件。
2006-11-13 cond-mat.mes-hall
Interaction of dopants with the I$_3$-type basal stacking fault in hexagonal-diamond Si
本研究采用密度泛函理论计算，揭示了六方金刚石型硅中p型、n型掺杂剂及等电子杂质与I₃型基面堆垛层错的差异化相互作用规律，并通过六方/立方硅界面验证了相关结论，为新型半导体性能调控提供了理论依据。
2025-06-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Scanning tunneling spectroscopy reveals a silicon dangling bond charge state transition
利用低温扫描隧道显微镜（LT-STM）研究了氢封端硅（100）表面上的单悬挂键（DB）。通过研究不同退火温度下制备的样品，我们建立了次表面砷掺杂对DB电子性能的关键作用。我们表明，当近表面浓度的掺杂剂耗尽作为结果的$1250°C$闪光退火，一个单一的DB表现出尖锐的导电步骤，在其I（V）光谱，这不是由于状态效应的密度，而是对应于DB电荷态转变。该转变的电压位置与DB在不同电荷状态下的STM图像中的偏压依赖性变化完全相关。密度泛函理论（DFT）计算通过显示DB-掺杂剂距离对DB状态的影响，进一步突出了次表面掺杂剂对DB性质的作用。我们讨论了可能的理论模型的电子传输通过DB，可以解释我们的实验观察。
2015-07-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Capacitance-Voltage (C-V) Characterization of Graphene-Silicon Heterojunction Photodiodes
二维（2D）和三维（3D）材料的异质结构形成用于利用两类材料的性质的有效装置。石墨烯/硅（G/Si）肖特基二极管的光电特性已被广泛研究。在这里，我们介绍了一种方法来分析测量的电容-电压数据的G/Si肖特基二极管并联G/二氧化硅/Si（GIS）电容器。我们还证明了准确提取的内置电位（$Φ$ $_{bi}$）和肖特基势垒高度的测量数据独立的理查森常数。
2020-02-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
A hybrid double-dot in silicon
我们报告一个单一的砷掺杂剂原子在隧道势垒的硅SET的电气测量。以及执行个别掺杂剂的电特性，我们研究了通过掺杂剂和SET系列电输运。我们测量这个混合双点的三相点，使用模拟来支持我们的结果，并表明，我们可以调整两个子系统之间的静电耦合。
2011-11-18 cond-mat.mes-hall
Evaluation of a gate capacitance in the sub-aF range for a chemical field-effect transistor with a silicon nanowire channel
场效应晶体管（FET）沟道长度和宽度为几十纳米，其栅电容的评估是传感器应用的关键点。然而，在aF范围内或更小的电容的实验和精确评估是极其困难的。在这里，我们报告的提取的电容下降到0.55 aF的硅FET与纳米级线通道，其宽度和长度分别为15和50 nm。该提取可以通过使用四种测量的组合来实现：双栅极调制的电流特性，由单个电子的俘获和脱陷引起的随机电报信号噪声，电介质的极化噪声，以及低温下显示库仑阻塞的电流特性。这样一个小的栅极电容的提取，使我们能够评估电子迁移率在纳米级线使用的FET的电流特性的经典模型。
2011-01-21 cond-mat.mes-hall
Dopant Induced Stabilization of Silicon Cluster at Finite Temperature
随着微型化的进步，理解和控制纳米范围内的硅等重要技术系统的特性具有相当重要的意义。事实证明，在15-20个原子的尺寸范围内的小硅簇在加热时是不稳定的，并且实际上在1200 K至1500 K的温度范围内碎裂。在目前的工作中，我们证明，它是可以通过引入适当的掺杂剂（在这种情况下，钛），以稳定这样的集群。具体地说，通过使用第一原理密度泛函模拟，我们表明，Ti掺杂的Si $_{16}$，具有Frank-Kasper几何形状，保持稳定，直到2200 K和碎片仅高于2600 K。观察到的熔融转变是一个两步过程。第一步是在600 K附近由表面熔化开始的。第二步是笼的破坏，其发生在2250 K附近，引起热容曲线中的峰值。
2006-09-08 cond-mat.mes-hall
Learning and Controlling Silicon Dopant Transitions in Graphene using Scanning Transmission Electron Microscopy
Université de Montréal（蒙特利尔大学）；Mila（米拉研究所）；McGill University（麦吉尔大学）；Reliant AI（Reliant人工智能公司）；Google DeepMind（谷歌DeepMind）；University of Tennessee, Knoxville（田纳西大学诺克斯维尔分校）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
本文提出一种基于STEM数据和神经网络预测硅原子跃迁概率的机器学习方法，并利用学习到的动力学引导单个硅原子在石墨烯晶格中移动到指定目标位置。
2023-11-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Quantum Simulation of the Hubbard Model with Dopant Atoms in Silicon
在量子模拟中，研究的是可控量子系统中的多体现象。最近，利用冷原子对玻色-哈伯德哈密顿量的模拟揭示了先前隐藏的局域关联。然而，费米子多体哈伯德现象，如非常规超导性和自旋液体，更难以使用冷原子模拟。迄今为止，所需的单点测量和冷却仍然存在问题，而只有集合测量已经实现。在这里，我们模拟了两个网站哈伯德哈密顿在低有效温度与单网站分辨率使用硅中的次表面掺杂剂。我们测量准粒子隧穿映射的自旋分辨态原子的分辨率，发现干涉过程的纠缠熵和哈伯德相互作用的量化。纠缠度由自旋和轨道自由度决定，随着共价键长度的增加而增加。我们发现分离可调的哈伯德相互作用强度，适合于模拟强相关的现象，在较大的掺杂剂阵列，建立掺杂剂作为量子模拟的哈伯德模型的平台。
2016-04-25 cond-mat.mes-hall
Exact location of dopants below the Si(001):H surface from scanning tunnelling microscopy and density functional theory
控制硅中的掺杂剂仍然是定制集成电路电子材料性能的最重要方法，其中V族杂质是最重要的n型掺杂剂。与此同时，由于硅为杂质轨道提供了磁性安静的环境，硅在相干量子器件中找到了新的应用。掺杂剂轨道的电离能和形状取决于它们相互作用的表面和界面。因此，掺杂剂的位置和局部环境效应将决定未来量子信息处理器和下一代半导体器件的功能。在这里，我们从低温扫描隧道显微镜（STM）的第一性原理密度泛函理论（DFT）计算模拟的图像匹配观察到的掺杂剂波函数。通过实验和理论的结合，我们精确地确定了Si（001）：H表面以下5和15 A之间的中性As掺杂剂的替代位置。在这个过程中，我们获得了充分的理解与表面的施主电子态的相互作用，因此之间的过渡散装掺杂剂（与其离域类氢轨道）和先前研究的掺杂剂在表面层。
2017-01-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Investigating individual arsenic dopant atoms in silicon using low-temperature scanning tunnelling microscopy
利用扫描隧道显微镜和光谱学研究了77 K下氢封端的Si（001）样品中的亚表面砷掺杂。我们观察到一些不同的掺杂剂相关的功能，分为两类，我们称之为As1和As2。当在占据状态下成像时，As 1特征表现为叠加在硅表面形貌上的各向异性突起，并且具有沿着特定晶体取向的最大强度。在空状态图像中，特征都表现出长距离的圆形突起。图像是一致的掩埋掺杂剂，是在电中性（D0）充电状态时，在填充状态下成像，但成为通过静电电离时，空状态下成像，类似于以前的观察GaAs中的受体带正电（D+）。密度泛函理论（DFT）计算预测，作为掺杂剂在第三层的样品诱导两个国家躺在下面的导带边缘，这与表面结构杂交创建功能的表面对称性与我们的STM图像一致。As2特征具有令人惊讶的特性，即在填充状态图像中出现突起，在空状态图像中出现各向同性凹陷，这表明它们在所有偏压下都带负电荷。我们讨论了这一特点的可能起源。
2013-07-25 cond-mat.mes-hall
Thermoelectric Properties of Silicon Carbide Nanowires with Nitrogen Dopants and Vacancies
采用原子模拟方法研究了含氮杂质和[111]方向空位的立方相掺锌碳化硅纳米线（SiCNW）的热电性能。研究发现，通过掺杂N杂质和制造Si空位，可以显著提高SiCNW的热电优值ZT。为了获得大的ZT，我们研究了可能的能量稳定的配置，并披露，当N掺杂剂位于中心，少量的Si空位在角落是最有利的n型纳米线，而大量的Si空位扩展到平坦的边缘位置是最有利的p型纳米线。对于直径为1.1 nm、长度为4.6 nm的SiCNW，在900 K时，n型的ZT值可达1.78。还讨论了长SiCNW获得较高ZT值的条件。
2012-02-24 cond-mat.mes-hall
A simple and controlled single electron transistor based on doping modulation in silicon nanowires
利用栅控硅纳米线制作了一种简单、重复性好的单电子晶体管。该结构是在绝缘体上硅薄膜上制成的金属氧化物半导体场效应晶体管。晶体管的沟道在低温下为库仑岛。在栅极的每一侧上沉积的两个氮化硅间隔物产生沿着纳米线的掺杂调制，其产生隧道势垒。这种屏障是固定和受控的，就像金属SET一样。库仑振荡的周期由晶体管的栅极电容设置，因此由光刻控制。还表征了源极和漏极电容。该设计可用于构建更复杂的SET设备。
2006-09-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Disorder-resilient transport through dopant arrays in silicon
该研究结合扩展Hubbard模型精确对角化与非平衡Green函数方法，证明硅中无序3×3磷施主阵列的电流和稳定性图特征对无序具有高度韧性。
2024-05-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Pauli spin blockade at room temperature in double-quantum-dot tunneling through individual deep dopants in silicon
该研究证明硅场效应晶体管中的两个深掺杂剂可形成室温双量子点，并在直至室温下实现泡利自旋阻塞，支持高灵敏磁传感、磁共振解除和Rabi振荡观测。
2025-07-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Valley interference and spin exchange at the atomic scale in silicon
隧穿是一个基本的量子过程，没有经典的等价物，它可以与库仑相互作用竞争，产生复杂的现象。硅中的磷掺杂剂可以以原子精度放置，以解决这种竞争产生的不同机制。然而，他们利用依赖于晶体带对称性的波函数，隧道相互作用本质上是敏感的。在这里，我们直接使用扫描隧道显微镜图像的晶格非周期性谷硅原子之间的耦合干涉。我们的原子分析揭示了包络各向异性，谷干扰和掺杂剂的位置上的海森堡自旋交换相互作用的作用。我们发现，交换可以成为免疫谷干扰工程面内掺杂剂沿特定的结晶方向放置。一个类似真空的行为被恢复，其中的交换是最大化的施主轨道之间的重叠，和对对的变化限制到一个因素小于10，考虑到掺杂剂定位的准确性。这种鲁棒性保持在很大的距离范围内，从高保真量子计算相关的强库仑相互作用机制到硅中量子模拟感兴趣的强耦合施主阵列。
2021-05-23 cond-mat.mes-hall
Novel characterisation of dopant-based qubits
硅是一个领先的量子位平台，这要归功于可以实现的卓越的相干时间和可用的商业制造平台。构建可扩展的量子处理架构依赖于精确的量子态操纵，这只能通过对底层量子态属性的完全理解来实现。本文回顾了已经开发的电子方法来探测硅中单个和相互作用的原子量子比特中编码的量子态，从开创性的纳米级晶体管单电子隧穿光谱框架，到探测相干特性的射频反射仪和直接在原子尺度上成像波函数的扫描隧道显微镜。随着现实器件的原子模拟的发展，这些方法今天被应用于其他新兴的掺杂剂和光学可寻址缺陷态，以加速硅中量子技术的工程。
2021-07-02 cond-mat.mes-hall
Towards visualisation of central-cell-effects in scanning-tunnelling-microscope images of subsurface dopant qubits in silicon
磷施主波函数的原子尺度理解支持硅基量子器件的设计和优化。计算施主波函数的大规模理论方法的准确性取决于中央单元校正的描述，中央单元校正根据经验拟合以匹配实验结合能或与波函数的全局性质相关的其他量。直接理解施主波函数中的这种效应的方法具有很大的意义。在这里，我们应用一个全面的原子理论框架来计算扫描隧道显微镜（STM）图像的亚表面施主波函数与两个中央细胞校正formalisms以前在文献中。基于实空间图像特征和傅里叶变换轮廓的中心单元模型之间的比较表明，在模拟的STM图像中，在硅表面以下的10个单层中，中心单元效应是可见的。我们的研究激发了未来通过STM成像技术对中央细胞效应进行实验研究的潜力，微调理论模型，这可能在可扩展量子计算机架构中基于供体的量子系统的设计中发挥至关重要的作用。
2017-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Bandstructure Effects in Silicon Nanowire Hole Transport
研究了强量子化硅纳米线场效应晶体管（FET）在不同输运方向上PMOS输运的能带结构效应。一个20带sp 3d 5s * 自旋轨道耦合（SO）原子紧束缚模型耦合到一个自洽的泊松求解器用于价带色散计算。弹道FET模型被用来评估电容和电流-电压特性。色散形状和曲率是器件尺寸、晶格取向和偏置的强函数，并且不能在有效质量近似下描述。限制质量在不同量子化方向上的各向异性可以导致电荷优选地在（110）表面中积累，其次在（112）表面上积累，而不是在（100）表面上积累，从而导致针对不同线取向的显著电荷分布。然而，纳米线FET器件的总栅极电容对于所研究的所有输运取向中的所有线而言非常相似（[100]，[110]，[111]），并且从氧化物电容退化约30%。与[100]线相比，[111]和其次是[110]取向的纳米线显示出最高的载流子速度和更好的导通电流性能。的色散特性和量子化行为，虽然一个复杂的功能的物理和静电约束，可以解释在一阶通过看重空穴价带的各向异性形状。
2008-09-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Scanning-probe spectroscopy of semiconductor donor molecules
半导体器件继续进入纳米级范围，并且已经出现了新的应用，其中掺杂剂原子的量子性质充当器件的功能部分，强调了探测半导体中少量掺杂剂原子的量子结构的必要性[1-3]。虽然掺杂剂的性质是很好地理解相对于块体半导体，新的问题出现在纳米系统。例如，掺杂剂的量子能级将受到纳米级电极的接近度的影响。此外，由于浅施主和受主类似于氢原子，少量掺杂物的实验有可能成为原子和分子物理学基本问题的试验场，例如具有给定数量正离子的分子的最大负电离[4，5]。在输运研究中观察到通过隔离掺杂剂的电子隧穿光谱[6，7]。此外，Geim及其同事还发现了由于两个紧密间隔的供体而产生的共振，有效地形成了供体分子[8]。在这里，我们提出了使用扫描探针技术的砷化镓异质结构中硅施主的电容光谱测量[9，10]。与Geim等人的工作相反，我们的数据显示了归因于连续进入分子的电子的可辨别的峰。因此，这项工作代表了掺杂剂分子的第一个附加光谱测量。更一般地说，据我们所知，这项研究是直接使用扫描探针尖端进行单电子电容光谱的第一个例子[9]。
2007-12-24 cond-mat.mes-hall
Wideband Mid Infrared Absorber using surface Doped Black Silicon
黑硅（BSi）是一种合成纳米材料，具有高纵横比的纳米突起，诱导几个有趣的特性，如入射辐射的吸收率非常大。我们最近已经表明，大量掺杂的BSi的体积能够显着提高其中红外吸收率，并调整其光谱范围的兴趣高达20微米。在这封信中，我们探讨了表面掺杂对BSi辐射特性及其吸收率的影响，特别是因为表面掺杂能够达到比体积掺杂更大的掺杂剂浓度，但在更有限的渗透深度。我们考虑了12种不同的BSi晶片，在n型和p型硅晶片上用低温等离子体蚀刻制造，并使用不同掺杂剂类型、剂量和离子束能量的离子注入进行掺杂，从而导致不同的掺杂剂浓度和分布。利用傅里叶变换红外光谱仪测量了不同晶片的辐射特性，反射率、透射率和吸收率。我们表明，掺杂的n型BSi晶片与磷的剂量为10^17大气压/厘米2和能量为100千电子伏增加其吸收率高达98%，在1-5微米的光谱范围内。我们提出了一个简单的唯象解释的基础上观察到的结果的掺杂剂浓度分布和相应的入射辐射穿透深度。所获得的结果提供了简单的设计规则，并铺平了道路，使用离子注入BSi的各种应用，如太阳能收获，热-光致发光和红外辐射传感，其中高吸收率和可变的掺杂剂浓度分布是必需的。
2022-08-02 cond-mat.mes-hall
Large-scale atomistic density functional theory calculations of phosphorus-doped silicon quantum bits
我们提出了密度泛函理论计算磷掺杂剂在体硅和几个属性有关的使用自旋量子比特的量子计算。而不是一个混合的赝势或海特勒-伦敦的方法，我们已经使用了明确的治疗的磷供体和检查详细的电子结构的系统作为各向同性掺杂分数的函数，包括晶格弛豫由于杂质的存在。掺杂电子密度和自旋密度进行检查，以研究作为各向同性掺杂分数的函数的掺杂剂电子的属性。掺杂电位也计算用于计算的散射截面的磷掺杂剂，这是重要的电检测的磁共振实验的理解。我们发现，掺杂剂周围的电子密度导致掺杂电位的非球形特征，例如在（001）平面中的三角叶，其能量标度为+12 eV靠近核和-700 meV延伸远离掺杂剂。这些特征在有效质量理论中通常被忽略，并且会影响施主电子与磷核之间的耦合。我们的密度泛函计算揭示了掺杂剂的密度和电势的细节，这些掺杂剂在不包括明确处理磷供体原子和晶格弛豫的计算中并不明显。这些细节也可以用于参数化的紧束缚模型的模拟大规模的设备。
2013-07-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Triangulating tunneling resonances in a point contact
我们观察到共振隧穿在硅分裂栅点接触注入锑和定义在自对准多晶硅双栅增强模式的Si-MOS器件结构。我们确定哪些谐振是可能的候选人通过锑供体，而不是无意的无序诱导电位使用电容三角测量运输。我们确定了从谐振特征到每个导电栅和源/漏二维电子气区的电容。在我们的器件几何结构中，这些电容提供了关于三维谐振位置的信息。电容的半经典静电模拟，已经用于映射量子点的大小和位置，确定位置和限制电位大小的组合，满足我们的实验观察。模拟的位置和大小的敏感性，使我们能够三角测量可能的位置与纳米分辨率的谐振水平。我们讨论了我们的结果，以及它们如何适用于共振隧穿通过一个单一的捐助者。
2011-07-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Single-electron states of phosphorus-atom arrays in silicon
本文利用原子级紧束缚与波函数重叠分析研究硅中2至4个磷原子阵列的单电子态，并将能量映射为Fermi-Hubbard哈密顿量以支持模拟量子模拟。
2024-02-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon-carbon bond inversions driven by 60 keV electrons in graphene
我们证明，60 keV的电子辐照驱动的三重协调的硅掺杂剂在石墨烯中的扩散一个晶格位置的时间。第一性原理模拟表明，每个步骤是由电子对邻近掺杂剂的C原子的撞击引起的。虽然原子运动的发生低于我们的实验时间分辨率，38个这样的晶格跳跃的随机分析揭示了一个很好的协议与模拟发生的概率。从三到四重协调掺杂剂结构的转换和随后的反向过程是显着不太可能比直接键反转。因此，我们的研究结果提供了一个模型的非破坏性和原子精确的结构修改和检测的二维材料。
2014-07-17 cond-mat.mes-hall
Using Capacitance Methods for Interface Trap Level Density Extraction in Graphene Field-Effect Devices
描述和讨论了从电容-电压测量中提取石墨烯场效应器件中界面陷阱能级密度的方法。示出了与石墨烯费米速度提取的相互关系。简要讨论了石墨烯和硅场效应结构中界面陷阱提取过程的异同。
2012-02-02 cond-mat.mes-hall
Interplay between quantum confinement and dielectric mismatch for ultra-shallow dopants
了解界面附近掺杂物的电子性质是纳米尺度器件的关键挑战。我们测定了介电失配和量子限制对氢钝化硅（100）表面下单个受主电离能的影响。虽然在界面处的真空和硅之间的介电失配导致图像电荷，这增强了次表面受体的结合能，但量子限制被示出为降低结合能。使用扫描隧道光谱，我们测量共振输运通过局域态的个别受体。电导峰的热加宽提供了绝对能量标度的直接测量。我们的数据明确地表明，这两个独立的影响竞争的结果，电离能小于5毫电子伏低于批量值小于玻尔半径的受体从接口。
2013-07-01 cond-mat.mes-hall
Coherent electronic Raman excitation of valley-orbit split states of phosphorus dopants in silicon
Charles University（查理大学）；Czech Academy of Sciences（捷克科学院）；Czech Technical University in Prague（布拉格捷克理工大学）
本研究通过相干光学激发实现了硅中磷受体谷-轨道分裂态的电子拉曼跃迁，并揭示了载流子密度对波包特性的影响及非共振激发条件下的跃迁机制。
2026-02-04 cond-mat.mes-hall physics.optics
Coupling and coherent electrical control of two dopants in a silicon nanowire
在固态系统中对单个原子或分子进行电控制，为将量子力学功能引入电子学提供了一种很有前途的方法。这个想法最近进入了硅技术的既定领域，导致了单原子晶体管的实现，并首次测量了单施主中的电子自旋动力学。在这里，我们表明，我们可以电耦合两个施主嵌入在一个多栅硅晶体管，并通过微波信号诱导其电荷态的相干振荡。我们测量了两个施主之间的单电子隧穿，这揭示了它们的能谱。最低的能量状态，对应于位于两个施主中的任一个上的单个电子，形成与所有其他电子能级分离的两能级系统（TLS）。这种TLS的千兆赫兹驱动导致与多达10个微波光子的吸收或受激发射相关的量子干涉图案。我们估计电荷退相时间为0.3纳秒，与其他类型的电荷量子比特一致。然而，这里，相对短的相干时间可以通过快速操作信号（原则上高达1太赫兹）来抵消，如分离施主原子中的基态和激发态的大的空能量窗口所允许的。所展示的两个施主的相干耦合构成了硅中基于施主的量子计算器件的重要一步。
2012-07-08 cond-mat.mes-hall quant-ph
Acoustic and Optical Phonon Frequencies and Acoustic Phonon Velocities in Silicon-Doped Aluminum Nitride Thin Films
University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）；California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles（加州大学洛杉矶分校加利福尼亚纳米系统研究所）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Auburn University（奥本大学）
研究硅掺杂铝氮化物薄膜中声学与光学声子频率及声学声子速度，通过布拉格-曼德尔施塔姆和拉曼光散射谱学测量声学与光学声子频率，揭示掺杂硅对薄膜应变和位错密度的影响，优化超宽禁带半导体异质结及高功率器件热阻。
2024-08-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Spatially resolved resonant tunneling on single atoms in silicon
在固态器件中控制单一掺杂剂的能力为可靠的量子计算方案开辟了道路。在这个角度来看，它是必不可少的，以了解界面和电场，固有的解决相干电子操纵，对掺杂剂的原子尺度性能的影响。这需要能量谱和波函数的精细能量和空间分辨率。在这里，我们提出了一个实验，满足这两个条件：我们使用扫描隧道显微镜（STM）在单电子隧穿制度的真空界面附近的硅中的单施主进行运输。STM尖端的空间自由度提供了一种多功能性，允许对静电学的独特理解。我们从共振峰的热加宽获得绝对能量标度，从而推断出施主的充电能量。最后，我们使用速率方程模型来推导出电流存在的激发态，突出的高度可调的真空隧道速率，应在进一步的实验中利用的好处。这项工作提供了一个一般的框架，在原子尺度上研究掺杂剂为基础的系统。
2015-01-21 cond-mat.mes-hall
Dopant-controlled single-electron pumping through a metallic island
我们研究了一种基于全耗尽绝缘体上硅技术的混合金属岛/单掺杂电子泵。中心金属岛和引线之间的电子转移是由通过势垒中的单磷掺杂剂的共振隧穿控制的。势垒上方的顶栅用于控制谐振条件。在门电路上施加射频信号，实现了非绝热量子化电子抽运。一个简单的确定性模型，并通过比较测量与模拟确认。
2016-03-01 cond-mat.mes-hall
Electronic structure of boron and aluminum $δ$-doped layers in silicon
针对硅中高于固溶度的硼、铝δ掺杂层，采用密度泛函理论研究其电子结构，发现结构弛豫、无序及掺杂原子种类对能带等性质的影响规律，为调控其电子性质提供了理论依据。
2023-04-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Bandstructure Effects in Silicon Nanowire Electron Transport
研究了强量子化硅纳米线场效应晶体管（FET）在不同输运方向上电子输运的能带结构效应。一个10带sp 3d 5s * 半经验原子紧束缚模型耦合到一个自洽泊松求解器用于色散计算。一个半经典的，弹道FET模型被用来评估的电流-电压特性。发现对于所有考虑的传输方向中的导线，总栅极电容从氧化物电容值退化30%（[100]，[110]，[111]）。不同的导线方向主要影响载流子速度，这主要决定相对性能差异，而总电荷差异的影响很小。速度取决于有效质量和色散的简并度。[110]和其次是[100]取向的3 nm厚的纳米线检查，表明最好的导通电流性能相比，[111]线。色散特性是量子化的强函数。谷分裂等效应可以提高简并度，特别是对于截面边长小于3 nm的线。有效质量也随着量子化而显著变化，并且对于不同的输运方向变化不同。对于[100]和[111]线的情况，质量随着量子化而增加，然而，在[110]情况下，质量减小。质量的变化可以从硅的第一布里渊区中的非抛物性和各向异性来解释。
2008-04-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Interface effects on acceptor qubits in silicon and germanium
基于掺杂剂的量子计算实现通常需要掺杂剂位于接近界面的位置，以便于利用局部门进行量子位操纵。界面不仅改变束缚态的能量，而且影响它们的对称性。利用有效质量理论，考虑量子限制、介电失配和中心晶胞效应，研究了Si和Ge中受主的能谱。界面的存在对所允许的对称性施加约束，并导致基态分裂成两个Kramers双峰[J.Mol等人，App.Phys.Lett. 106，203110（2015）]。反演对称性破缺也意味着宇称混合，这会影响允许的光学跃迁。受体量子位的后果进行了讨论。
2015-09-02 cond-mat.mes-hall
ESR measurements of phosphorus dimers in isotopically enriched 28Si silicon
硅中的掺杂剂已经使用光学和电子自旋共振（ESR）光谱学研究了几十年。最近，在同位素富集的28 Si中的掺杂剂的光谱中已经观察到新的特征，因为在这种材料中减少的不均匀线宽提高了光谱分辨率。考虑到这一点，我们测量ESR交换耦合磷二聚体在28 Si和报告两个结果。首先，一个新的精细结构中观察到的ESR谱所产生的状态混合的超精细耦合到31 P核，这是增强时的交换能量是可比的塞曼能量。这种精细结构使我们能够在光谱上解决两个单独的二聚体子系综，第一个与交换（J）耦合范围从2到7 GHz，第二个与J范围从6到60 GHz。接下来，使用0.35T下的脉冲ESR测量两种二聚体子系综的平均自旋弛豫时间T1和T2。T1和T2的二聚体的三重态之间的过渡被发现是相同的孤立的磷施主在28 Si的弛豫时间，与T2 = 4 ms在1.7 K的光谱扩散限制由于偶极相互作用与相邻的施主电子自旋。这一结果与理论预测一致，表明2 - 60 GHz的交换耦合在10 ms的时间尺度下不会限制体硅中的二聚体T1和T2。
2015-06-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Bardeen's tunneling theory applied to intraorbital and interorbital hopping integrals between dopants in silicon
我们利用Barnard的隧穿理论计算内和轨道间的跳跃积分磷施主在硅中使用已知的轨道波函数。虽然两个施主问题可以直接解决，但各种轨道对的跳跃知识对于构建施主链和施主阵列的多轨道哈伯德模型是必不可少的。为了确保适用于远程电位，我们重新推导Barnut的矩阵元素的公式，而不假设不重叠的潜力。此外，我们发现了对原始表达式的修正，使我们能够在短距离内使用它。我们还表明，最低的施主对本征态的准确计算是可能的，基于这些隧道耦合，我们所获得的状态的特征。结果与标准Hückel紧束缚法定量一致。该计算仅依赖于势垒区中的波函数，并且不明确地涉及施主或晶格势，这具有实际优点。我们发现，在标准方法中忽略中心校正势可能会导致定性不正确的结果，而它的明确列入提出了严重的数值问题，因为它包含在一个很小的体积。相比之下，在所提出的方法中使用通过这种校正获得的波函数不会引起这样的问题。名义上，该方法的计算成本是计算沿着分离施主的平面的二重积分。对于在谷干涉导致振荡行为的方向上的施主分离，需要在积分平面的位置上进行额外的平均。尽管如此，所提出的方法提供了一个有竞争力的计算成本相比，标准的。这项工作可以被视为一个基准的一个有前途的方法计算跳跃积分的格点模型。
2022-09-30 cond-mat.mes-hall
Optically Controlled Entangling Gates in Randomly Doped Silicon
随机掺杂的硅在量子计算方面具有许多竞争优势;它不仅制造速度快，而且作为掺杂密度的函数，它自然可以包含大量的量子位和逻辑门。我们确定在随机掺杂的硅，包括两个不同的掺杂剂物种的纠缠门的密度。首先，我们定义的条件和绘图的相对位置的掺杂剂必要的，他们形成交换相互作用介导的纠缠门。其次，利用最近邻泊松点过程理论，我们计算了单、双物种栅达到最大密度所需的掺杂浓度。我们发现我们的结果与蒙特卡罗模拟，我们提出的算法，它处理多个施主结构和规模最佳的掺杂剂的数量，并用它来提取施主结构没有捕获我们的泊松点过程理论的协议。第三，使用移动平均集群扩展技术，我们作出预测的原理实验证明，一个物种的控制，由另一个的轨道激发。这些随机分布中密度优化的组合方法可能对其他凝聚态系统以及物理学之外的应用有用。
2019-02-01 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall quant-ph
All-Electronic Nanosecond-Resolved Scanning Tunneling Microscopy: Facilitating the Investigation of Single Dopant Charge Dynamics
将半导体器件小型化到少量掺杂剂可以控制器件特性的规模，需要开发能够表征其动态特性的新技术。研究单一掺杂剂需要亚纳米的空间分辨率，这促使使用扫描隧道显微镜（STM），然而，传统的STM仅限于毫秒级的时间分辨率。已经开发了几种方法来克服这个缺点。其中之一是全电子时间分辨STM，这是在这项工作中使用的纳秒分辨率研究硅中的掺杂剂动力学。这里提出的方法是广泛访问，并允许在原子尺度上的各种各样的动态的本地测量。提出了一种新的时间分辨扫描隧道光谱技术，并用于有效地搜索动力学。
2017-06-27 cond-mat.mes-hall
Individual charge traps in silicon nanowires: Measurements of location, spin and occupation number by Coulomb blockade spectroscopy
我们研究了硅纳米线中量子点的库仑阻塞谱中的反常现象。这些异常归因于与器件中的电荷陷阱的静电相互作用。一个简单的模型再现这些异常准确，我们展示了如何的陷阱的电容矩阵可以从形状的异常。从这些电容矩阵，我们推断，陷阱位于附近或内部的导线。根据不同掺杂水平的线中异常的出现，我们推断大多数陷阱是砷掺杂态。在某些情况下，异常伴随着随机电报信号，这允许对陷阱的占用进行时间分辨监测。陷阱态的自旋通过塞曼位移确定。
2006-03-24 cond-mat.mes-hall
Radio frequency reflectometry in silicon-based quantum dots
射频反射技术为门控量子点的电荷检测和自旋读出提供了一种快速、灵敏的方法。在这项工作中，我们专注于在累积模式的栅极定义的量子点，其中大的寄生电容构成了一个挑战的RF读出的实现。我们描述和测试两种方法来减轻寄生电容的影响，一个由片上修改和第二个由片外的变化。我们证明，这些方法能够在Si/SiGe量子点中实现高性能的电荷读出，在1 $μ$ s的测量时间内实现99.9%的保真度。
2021-01-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
P-type $δ$-doping with Diborane on Si(001) for STM Based Dopant Device Fabrication
氢抗蚀剂光刻使用的扫描隧道显微镜（STM）的尖端用于图案化硅中的p型纳米结构。为此，硼$δ$层的载流子密度和迁移率，通过气相掺杂，其特征在于与低温传输实验。通过STM成像研究了掺杂剂的吸附、掺入和表面扩散，得到光刻分辨率的上限为2.5nm，并通过制备7.5nm宽的p型纳米线和测量其电学性质得到了证实.最后，为了证明用这种技术制造双极掺杂器件的可行性，我们制备了一个100 nm宽的PN结，并表明其电学行为与江崎二极管相似。
2019-12-12 cond-mat.mes-hall
Single-dopant resonance in a single-electron transistor
半导体纳米结构中的单一掺杂剂最近已经被详细研究，因为它们是量子比特的良好候选者，只要它们被耦合到检测器。在这里，我们报告一个单一的作为施主原子的单电子晶体管（SET）的硅纳米线场效应晶体管的耦合。实现电容和隧道耦合，后者导致通过SET的电导急剧增加，高达一个数量级。与实验同步发展的速率方程理论很好地解释了实验结果。
2010-12-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el
Silicon Quantum Electronics
本文介绍了最近在硅，硅/硅锗和掺杂剂为基础的量子点的突破性成果，并强调了在硅为基础的量子物理，在过去几年中发生的显着进展。这一进展是可能的，这要归功于两种硅量子器件的材料开发，以及对硅中量子效应的物理理解。最近的关键步骤包括单电子的隔离，观察自旋封锁和单次读出的单个电子自旋在掺杂剂和门控量子点在Si中。这些结果中的每一个都伴随着以前在其他材料系统中的工作所没有预料到的物理学。这些进展强调了在具有长自旋相干时间的材料中实现自旋量子比特的重大进展，这对量子计算和自旋电子学至关重要。
2013-04-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Linear and planar molecules formed by coupled P donors in silicon
利用有效质量理论和多谷包络函数表示，我们建立了一个理论框架，用于计算硅中任意几何构型相互作用的多个磷供体的单电子结构，同时考虑谷轨道耦合。该方法适用于三个耦合磷捐助者，安排在一个线性链和三角形，并安排在一个正六边形的六个捐助者。模拟的结果表明，谷组成的单电子态强烈依赖于掺杂剂分子的几何形状和其相对于硅的晶轴的取向。三原子线性分子的电子结合能大于沿同一晶轴取向的双原子分子的电子结合能，但当核间距为1.5~6.6 nm时，基态与第一激发态之间的能隙没有显著差异.三个施主原子排列在一个三角形的几何形状具有更大的结合能比具有相同的核间距的掺杂剂的三原子线性链。平面供体分子的特征在于有利于垂直于分子平面取向的谷的强极化。极化随着形成平面分子的原子数而增加。
2016-11-22 cond-mat.mes-hall
Quantum Interference in Silicon 1D Quasi-Ballistic Junctionless Nanowire Field Effect Transistors
我们研究了8 nm直径的Si无结纳米线场效应晶体管的低温输运与一个环绕式栅极和两个不同的激活掺杂浓度的自顶向下技术制造。首先，我们从器件中提取器件几何形状的本征栅极电容，该器件在13 mK下显示出库仑阻塞，在6 V的栅极电压范围内具有超过500个库仑峰，表明在整个纳米线沟道中形成了单个岛。在另外两个器件中，掺杂Si：P $4\times10^{19}\,\text{cm}^{-3}$和$2\times10^{20}\,\text{cm}^{-3}$，我们观察到量子干涉，并使用提取的栅极耦合来确定主导能量尺度和相应的平均自由路径。对于较高掺杂的器件，分析产生$4\pm2\,\text{nm}$的平均自由程，其在平均掺杂剂间距的量级上，并且表明在未活化或活化的掺杂剂上的散射。对于具有$4\times10^{19}\,\text{cm}^{-3}$的活化掺杂剂密度的器件，量子干涉效应表明$10\pm2\,\text{nm}$的平均自由程，其与纳米线宽度相当，因此是准弹道输运。通用电导波动的温度依赖性分析表明，在低于1.9 K的温度下，纳米线长度以上的相干长度，以及在更高温度下，来自1D电子-电子相互作用的退相干。的迁移率是有限的散射杂质，而不是预期的表面粗糙度散射的纳米线直径更大或可比的费米波长。因此，我们的测量提供了洞察的性能限制，从占主导地位的散射和退相机制，在技术相关的硅器件的几何…
2018-02-20 cond-mat.mes-hall
Tunable Kondo effect in a single donor atom
在单原子中观察到了近藤效应。该测量装置由一个单一的作为掺杂剂纳入硅纳米结构。掺杂剂的原子轨道可由栅极电场调节。当它们被调谐，使原子系统的基态成为两个硅谷的（近）简并叠加时，一种奇异的、迄今未观察到的谷近藤效应出现了。与规则自旋Kondo一起，可调谐的谷近藤效应允许可逆的电控制从SU（2）-到SU（4）-配置的Kondo基态的对称性。
2009-09-30 cond-mat.mes-hall
Detection of a large valley-orbit splitting in silicon with two-donor spectroscopy
我们测量了硅栅纳米线中浅孤立磷施主的大的谷轨分裂。这种分裂接近体值，远高于硅纳米结构的先前报告。这是确定使用双掺杂剂传输光谱，消除文物引起的环境。考虑到施主相对于Si/SiO $_2$界面和导线中的电场的位置的定量模拟表明，所发现的值与器件的几何形状一致。
2012-07-12 cond-mat.mes-hall
Radio-frequency reflectometry in silicon carbide large-area transistors
University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）；National Physical Laboratory（英国国家物理实验室）
研究了在低温下大面积硅碳晶体管中应用射频反射法进行高带宽读取的可行性，发现寄生电容影响了射频响应，提出改进电路配置以恢复灵敏度。
2026-05-14 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Probing a Single Nuclear Spin in a Silicon Single Electron Transistor
我们研究了硅纳米晶体管中单个Bi掺杂剂的单电子输运，以评估与Bi核自旋$I=9/2$的强超精细耦合如何影响器件的输运特性。在连续隧穿区，我们发现在温度为$100 mK$范围内，$dI/dV$曲线反映了零场超精细分裂及其在外加磁场下的演化.我们的非平衡量子模拟表明，核自旋可以部分极化平行或反平行于电子自旋只是调整所施加的偏压。
2012-08-02 cond-mat.mes-hall
Anderson Localization of Electrons in Silicon Donor Chains
我们建立了一个模型来研究用精密离子注入或STM光刻技术制备的掺杂硅纳米线的局域化特性。实验表明，欧姆定律在某些情况下成立，这显然与一维的安德森局域化理论相悖。我们研究了谷干涉对传统的无序系统电子结构理论的影响。每个孤立的施主轨道是现实的描述多谷有效质量理论（MV-EMT）。我们扩展这个模型来描述链的施主掺杂剂轨道的线性组合。考虑到供体定位的混乱，导致最近的邻居供体网站（供体-供体隧道耦合）之间的跳跃的一个复杂的无序分布-谷干扰的影响。从转移矩阵方法获得磷（P）供体链的定位长度，并进一步与链长进行比较。我们定量地确定的不确定性$δR$在相对于目标的植入位置的影响，也比较我们的结果与那些没有谷干扰。我们系统地分析了有针对性的施主间分离依赖性（$R_0$），并表明，只要定位误差在晶格参数（$δR <0.543$ nm）之下，在安德森局域化的有效开始之前，相当稀释的施主链（$R_0=7.7$ nm）可能长达100 nm。
2016-03-22 cond-mat.mes-hall
Charge Detection in Phosphorus-doped Silicon Double Quantum Dots
我们报道了电连接到电子库的简并掺磷硅双量子点（DQD）中的电荷检测。感测装置是在DQD附近图案化的单电子晶体管（SET）。在4.2K下进行的测量显示了当水库的电势被扫过时，探测器电流中的库仑阻塞振荡的阶跃状行为和移位。通过一个经典的电容模型，我们表明，所观察到的功能可以用来检测单电子隧道从，到和内的DQD，以及揭示DQD的电荷占有。
2010-08-09 cond-mat.mes-hall
A two-atom electron pump
单原子晶体管的制造为基于单掺杂剂的电子学铺平了道路。最近，通过耦合两个这样的设备，以电学方式测量单个掺杂剂的光谱。未来纳米电子学的下一步是在两种掺杂剂上操纵单个电子。在这里，我们演示了电子泵通过两个磷捐助者在串联注入硅纳米线。虽然量子化泵浦实现在低频绝热制度，我们观察到显着的功能时，在较高的频率的电荷转移是由不同的隧道速率的限制。量子态之间的过渡建模涉及朗道-齐纳过渡，允许详细再现在非绝热制度中观察到的特征签名。
2012-12-05 cond-mat.mes-hall
