【儀表網 研發快訊】近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)半導體量子計算團隊與中國科學院物理研究所等單位合作，在超導/半導體異質結材料外延生長與界面態研究方面取得新進展。開發了具有原子級平坦非共格界面的鋁/鍺異質結薄膜材料，并首次觀測到了界面局域態對電子反射的調制作用。2025年11月29日，相關成果以"Atomically Resolved Electron Reflectivity at a Metal/Semiconductor Interface"為題在線發表在《Advanced Science》上。
超導/半導體異質結材料在約瑟夫森場效應晶體管、超導二極管、超導量子比特和拓撲量子比特中均具有重要應用。材料的結晶質量、界面平整度等因素是決定這些量子器件性能的關鍵。擁有原子級銳利界面的單晶超導/半導體異質結構材料，可有效降低由復雜界面結構引起的缺陷態，從而為清晰揭示量子器件中的前沿物理機理提供理想載體。研究團隊基于分子束外延技術，在鍺(111)襯底上生長出了高品質的單晶鋁(111)薄膜。基于透射電鏡(TEM)的原子成像與掃描隧道顯微鏡(STM)對鋁中量子阱態的表征，證實在金剛石結構的鍺上制備出了面心立方結構的單晶鋁薄膜，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的公度結構。STM局域二階微分電導(d2I/dV2)譜的表征結果指出：不同測量位置具有一致的電子-聲子散射譜學特征。這表明電子-聲子耦合強度保持均勻分布，進一步證實了鋁薄膜物性的空間均勻性。
圖1. (a) 鋁/鍺異質結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。虛線菱形標示出2nm周期的公度超胞結構。
利用STM探測鋁薄膜中的量子阱態，能將材料中界面埋層的結構進行可視化，表現為STM表面成像中的Moiré圖樣。研究發現，鋁薄膜的微分電導(dI/dV)譜中量子阱峰的峰寬受到材料界面晶格的調制，呈現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實驗中電子的相干隧穿過程進行模擬，與實驗結果完好擬合，揭示了量子阱峰寬的局域變化源自于鋁/鍺界面態對電子反射率的調制。基于該新奇現象，研究團隊進一步提出了一種用于無損表征金屬/半導體異質結界面態的方法，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。
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，量子阱態峰位的一致性證實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了電子-聲子耦合強度的空間均勻性。
圖3 (a)STM表征鋁/鍺界面態的原理示意圖。(b)能帶示意圖與電子相干隧穿過程的示意圖。(c)界面態調制電子反射的示意圖。
該項成果驗證了分子束外延鋁/鍺異質結中的高品質材料界面，發現了界面態對電子反射的調制作用，并發展了原位無損探測界面態的STM表征方法。該成果在超導/半導體異質結材料的制備與表征、超導量子器件與拓撲量子器件研究方面具有重要意義。
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、首席科學家徐洪起教授，和中國科學院物理所張建軍研究員。論文合作者還包括松山湖材料實驗室副研究員張結印和中國科學院物理所副研究員姚湲。該工作獲得了國家自然科學基金和科技創新2030國家科技重大專項等的支持。
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