Riassunto analitico
I sistemi zero-dimensionali (o punti quantici) di semiconduttore presentano livelli di energia quantizzati che possono essere controllati da campi elettrici esterni e sono di crescente interesse per le tecnologie quantistiche allo stato solido. Questa tesi propone un nuovo approccio alla progettazione di punti quantici a partire da nanofili semiconduttori, sviluppando e testando nuove architetture di dispositivi basate su nanofili di InAs che consentono l'implementazione di transistor a singolo elettrone. Per definire i potenziali di confinamento per i portatori di carica nella nanostruttura, si impiegano tecniche caratteristiche dell’emergente campo interdisciplinare dell'iontronica. I sistemi di punti quantici assistiti dalla iontronica vengono prima simulati utilizzando metodi agli elementi finiti. Successivamente, l'architettura del dispositivo viene progettata utilizzando strumenti di progettazione assistita da computer. Infine, i punti quantici basati su nanofili di InAs assistiti dall'iontronica vengono fabbricati mediante litografia a fascio di elettroni. Il dispositivo finale combina la nanostruttura di semiconduttore con un elettrolita di liquido ionico - il sistema iontronico - che consente di applicare campi elettrici locali ultra intensi. Questi campi sono associati a potenziali di confinamento che rendono "sharp" e discretizzano la densità di stati effettiva del dispositivo rendendola zero-dimensionale, permettendo l'osservazione di fenomenologie quantistiche negli esperimenti di trasporto a bassa temperatura. In particolare, si osserva un chiaro bloccaggio della corrente elettrica (quantum Coulomb blockade) nel nanodispositivo, che evidenzia la presenza di livelli quantizzati confinati con una separazione di energia caratteristica dell'ordine di diversi meV.
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Abstract
Zero dimensional systems or quantum dots based on semiconductors display quantum confined energy levels that can be controlled by external electric fields, and are of increasing interest for solid state quantum technologies. This thesis demonstrates a novel paradigm for engineering quantum dots starting from semiconducting nanowires, by developing and testing new device architectures based on InAs nanowires that enable the implementation of single-electron transistors. In order to define confinement potentials for charge carriers in the nanostructure, techniques characteristic of the emerging interdisciplinary field of iontronics are employed. Iontronic-assisted quantum dot systems are first simulated using finite element methods. Then, device architecture are designed using Computer-Aided Design tools. Finally, iontronics-driven InAs nanowire-based quantum dots are fabricated using electron beam lithography. The final device combines the semiconductor nanostructure with an ionic liquid electrolyte – the intronic system - which allows to apply local ultra-intense electric fields. These fields are associated to confinement potentials that discretize and sharpen the effective density of states of the device to zero dimension, allowing the observation of quantum features in transport experiments at low temperature. In particular, clear quantum Coulomb blockade is observed in the nanodevice electrical current, evidencing the occurrence of quantum confined levels with characteristic energy separation of the order of several meV.
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