近日，北京量子信息科学研究院(以下简称“量子院”)半导体量子计算团队与中国科学院物理研究所等单位合作，在超导/半导体异质结材料外延生长与界面态研究方面取得新进展。开发了具有原子级平坦非共格界面的铝/锗异质结薄膜材料，并首次观测到了界面局域态对电子反射的调制作用。2025年11月29日，相关成果以"Atomically Resolved Electron Reflectivity at a Metal/Semiconductor Interface"为题在线发表在《Advanced Science》上。
超导/半导体异质结材料在约瑟夫森场效应晶体管、超导二极管、超导量子比特和拓扑量子比特中均具有重要应用。材料的结晶质量、界面平整度等因素是决定这些量子器件性能的关键。拥有原子级锐利界面的单晶超导/半导体异质结构材料，可有效降低由复杂界面结构引起的缺陷态，从而为清晰揭示量子器件中的前沿物理机理提供理想载体。研究团队基于分子束外延技术，在锗(111)衬底上生长出了高品质的单晶铝(111)薄膜。基于透射电镜(TEM)的原子成像与扫描隧道显微镜(STM)对铝中量子阱态的表征，证实在金刚石结构的锗上制备出了面心立方结构的单晶铝薄膜，并且获得了原子级平坦的非共格界面。界面处，5个锗原子的晶格长度与7个铝原子的晶格长度相匹配，形成了5比7的公度结构。STM局域二阶微分电导(d2I/dV2)谱的表征结果指出：不同测量位置具有一致的电子-声子散射谱学特征。这表明电子-声子耦合强度保持均匀分布，进一步证实了铝薄膜物性的空间均匀性。
图1. (a) 铝/锗异质结薄膜的原子分辨级截面TEM图像。(b) 厚度为2nm的铝薄膜表面的原子分辨级STM图像。(c) 利用金修饰后的STM探针测量的铝表面Moiré图样。插图：沿白色虚线位置的高度分布。(d) 铝/锗界面原子排列示意图。虚线菱形标示出2nm周期的公度超胞结构。
利用STM探测铝薄膜中的量子阱态，能将材料中界面埋层的结构进行可视化，表现为STM表面成像中的Moiré图样。研究发现，铝薄膜的微分电导(dI/dV)谱中量子阱峰的峰宽受到材料界面晶格的调制，呈现出横向的周期性变化。引入一维Fabry-Perot干涉腔的物理模型对STM实验中电子的相干隧穿过程进行模拟，与实验结果完好拟合，揭示了量子阱峰宽的局域变化源自于铝/锗界面态对电子反射率的调制。基于该新奇现象，研究团队进一步提出了一种用于无损表征金属/半导体异质结界面态的方法，即利用STM探测电子在材料中的相干隧穿过程来表征界面态。
图2.(a)厚度为2nm的铝薄膜表面的局域dI/dV谱。(b)厚度为2nm的铝薄膜表面的STM形貌图，彩色‘X’标记了图a中谱线的测量位置。(c)厚度为10nm的铝薄膜表面的平均dI/dV谱。(d)厚度为10nm的铝薄膜上用金修饰的钝针尖所测量的STM形貌图，彩色‘X’标记了图e与f中谱线的测量位置。(e)从图d中不同位置获得的局域dI/dV谱，量子阱态峰位的一致性证实了界面的原子级平整度。(f)不同位置的局域d2I/dV2谱，特征峰的一致性证实了电子-声子耦合强度的空间均匀性。
图3 (a)STM表征铝/锗界面态的原理示意图。(b)能带示意图与电子相干隧穿过程的示意图。(c)界面态调制电子反射的示意图。
该项成果验证了分子束外延铝/锗异质结中的高品质材料界面，发现了界面态对电子反射的调制作用，并发展了原位无损探测界面态的STM表征方法。该成果在超导/半导体异质结材料的制备与表征、超导量子器件与拓扑量子器件研究方面具有重要意义。
量子院助理研究员黄鼎铭与王建桓为该论文共同第一作者。共同通讯作者为量子院黄鼎铭助理研究员、首席科学家徐洪起教授，和中国科学院物理所张建军研究员。论文合作者还包括松山湖材料实验室副研究员张结印和中国科学院物理所副研究员姚湲。该工作获得了国家自然科学基金和科技创新2030国家科技重大专项等的支持。
