Вертикальное и латеральное туннелирование в двумерных электронных системах и структурах на их основе

• Автор: Девятов, Эдуард Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 94 с. : ил.

Содержание
Введение
1 Обзор литературы
1.1 Исследования процессов вертикального туннелирования в двумерные системы
1.2 Исследование процессов латерального туннелирования
2 Методика эксперимента
2.1 Образцы
2.1.1 Трехэлектродные структуры
2.1.2 Параболические квантовые ямы
2.1.3 Образцы с сужениями в плоскости двумерной системы
2.2 Экспериментальные методики
2.2.1 Получение низких температур и сильных магнитных полей
2.2.2 Емкостная спектроскопия
2.2.3 Измерение вольт-амперных характеристик сужений
3 Кулоновская псевдощель в спектре двумерной электронной системы
4 Спектры двойных электронных слоев
4.1 Нормальное магнитное поле
4.2 Наклонное магнитное поле
5 Латеральное туннелирование в край двумерной системы
Заключение
Литература
Введение
В настоящее время в физике твёрдого тела большое внимание привлекает исследование свойств двумерных электронных систем. Интерес к исследованию таких систем отчасти вызван практическими нуждами - подобные системы реализуются в полевых транзисторах (как кремниевых, МОБЕЕТ, так и очень перспективных для высокочастотных применений транзисторах на основе ваАв) и промышленность нуждается в детальном исследовании свойств подобных систем и повышении их качества: отчасти - богатой физикой, наблюдающейся в двумерных электронных системах. При этом наибольшее, пожалуй, практическое применение имеют транспортные исследования - изучение процессов движения электронов в системе.
Пз истории физики известно, сколь важное место при исследованиях транспортных свойств занимают туннельные методы. Процессы туннелирования в двумерных системах можно разделить на две большие группы: туннелирование в край двумерной системы, так называемое латеральное туннелирование, и туннелирование в обьём - вертикальное туннелирование. К последней группе относятся и свойства туннельно-связанных двойных электронных слоёв (двухслойных систем). Данная работа как раз и ноевнщена исследованию двумерных электронных систем туннельными методами.
В настоящее время общепринятой является точка зрения, согласно которой целочисленный квантовый эффект Холла в двумерной (2Д) системе объясняется без привлечения понятий обменного и корреляционного взаимодействий, при этом межэлектронное взаимодействие учитывается лишь в приближении среднего поля. С другой стороны, хорошо известно что инжекция заряда при туннелировании в 2Д систему в квантующих магнитных нолях чрезвычайно чувствительна к обменным и корреляционным эффектам. Таким

образом, эксперименты но вертикальному туннелированию позволяют пролить свет на проявление эффектов взаимодействия в режиме квантового эффекта Холла и являются мощным средством исследования электронного спектра 2Д систем.
Появление систем, состоящих из двух параллельных двумерных электронных слоев явилось шагом к усложнению объекта исследований. Наличие туннельной связи между слоями эффективно повышает размерность системы и приводит к появлению новых физических свойств. В квантующих магнитных полях возникают как многочастичные особенности в транспортных свойствах двухслойных электронных систем, так и новые явления, которые могут быть описаны без привлечения обменных и корреляционных эффектов. К исследованию электрон-электронного взаимодействия относится и изучение квантовых фазовых переходов в двухслойной электронной системе, связанных с изменением спиновой поляризации основного состояния.
При вертикальном туннелировании в объём двумерной электронной системы в квантующих магнитных полях проявляется энергетический спектр системы. При латеральном (в плоскости) туннелировании напрямую проявляется структура краевых каналов в режиме квантового эффекта Холла, что имеет большое значение для понимания процессов распространения заряда в плоскости двумерной системы в сильных магнитных полях.
Цель данной работы состояла в экспериментальном изучении спектра двумерной электронной системы в режиме квантового эффекта Холла при помощи вертикального туннелирования, перестройки энергетического спектра двойных туннельно-связанных электронных слоев (двуслойных систем) в сильном магнитном поле, квантовых фазовых переходов в двуслойных системах при наклоне магнитного поля относительно нормали к образцу, исследовании латерального туннелирования между краевыми состояниями в режиме квантового эффекта Холла.
Основные результаты данной работы заключаются в подробном исследовании куло-новской цеевдшцели вблизи фактора заполнения V = 1, обнаружении новых, вызванных гибридизацией подзон в магнитном поле, щелей в спектре двухслойной системы и исследовании влияния паралллельной слоям компоненты магнитного поля на появление таких щелей, исследовании квантового фазового перехода в двухслойной системе, связанного с

0.8 1.0 К, (В)
Рис. 3.1: Действительная и мнимая компоненты тока в зависимости от затворного напряжения при Т = 30 мК в магнитном поле 14 Т для образца А1; V = 4.2 мВ, /2-7г = 73 Гп. На вставке сравнены экспериментальные кривые для двух магнитных полей - 6.9 (пунктир) и 13.7 Т (сплошные линии ) для образца В; Т = 60 мК, V = 2.1 мВ, ы/27г = 920 Гц.
родны. В случае же неоднородного туннельного барьера латеральный транспорт способен давать существенный вклад в измеряемые величины.
Мы утверждаем, что максимумы в действительной компоненте тока, исследованные в данной части работы, не являются проявлениями эффектов транспорта в плоскости двумерной системы: во-первых, при тех же температурах на факторе заполнения и — 2 нет никаких пиков в действительной компоненте тока, хотя диссипативная проводимость ожидается меньшей чем при г/ = 1 (см. вставку па рис. 3.1, где приведены хфивые для двух значений магнитного поля; поля подобраны так, что пики находятся в одном интервале затворных напряжений, т.е. при одинаковом беспорядке в образце и однородности туннельного барьера); во-вторых, обнаруженные (см. ниже) зависимости активной компоненты тока от частоты, температуры и магнитного поля несовместимы с предположением о латеральном транспорте , поскольку при изменении этих параметров структура всегда остаётся двугорбой, а не меняет форму на одногорбую, как это было бы при латеральном транспорте; в-трстьих, очень схожие данные при факторе заполнения V = 1 были получены на образцах с другим устройством туннельного барьера [8].