Помощь студентам в учебе
Проводимость двумерных систем при переходе от слабой к сильной локализации
|
Актуальность темы. Повышенный интерес к низкоразмерным системам связан с развитием микроэлектроники. Использование свойств низкоразмерных систем позволяет создавать на их основе новые приборы. Примером может служить полевой транзистор с высокой подвижностью электронов, в котором проводящий двумерный слой и примесь разделены барьером, или светоизлучающие приборы с квантовыми точками. Большую роль в развитии физики низкоразмерных систем сыграло развитие технологии, в особенности методов молекулярно-лучевой эпитаксии. Применение этих методов позволяет конструировать структуры с новыми свойствами. Для получения требуемых свойств необходимо глубокое понимание физики низко-размерных систем, которое может быть достигнуто только благодаря проведению тщательной исследовательской работы.
В низкоразмерных системах движение носителей тока ограничено в одном или нескольких направлениях, что в первую очередь приводит к размерному квантованию, т.е. к изменению энергетического спектра носителей тока. Такое изменение спектра приводит к возникновению новых эффектов (например, целочисленного и дробного квантового эффекта Холла) и существенно меняет известные эффекты, в том числе квантовые поправки к проводимости. Так, если в трехмерном (30) случае при Т=0 квантовые поправки дают лишь малую добавку к проводимости, то в двумерном (20) случае они расходятся при Т 0. При конечной температуре относительная величина квантовых поправок в 20 структурах заметно больше, чем в 30, так что при не очень большой величине друдевской проводимости они могут стать и сравнимы с ней. В результате квантовые поправки могут привести к сильной температурной зависимости проводимости, которую ошибочно можно принять за признак перехода к прыжковому механизму проводимости.
Общепринято, что если проводимость двумерной системы СУ становится меньше кванта проводимости е2/И (е- заряд электрона, И- постоянная Планка) и наблюдается сильная температурная зависимость проводимости, механизм проводимости является прыжковым. Именно этот критерий используется в большом числе работ для определения механизма проводимости. Однако для 20 структур он не кажется бес-спорным. В этих условиях обычно наблюдаются эффекты характерные для диффузионного механизма проводимости: отрицательное магнитосопротивление близкое по форме к отрицательному магнитосопротивлению, связанному с подавлением слабой локализации; эффект Холла, который дает правильную концентрацию носителей.
Таким образом, вопрос о механизме проводимости двумерных систем при величине низкотемпературной проводимости порядка и меньше е2/И остается актуальным до настоящего времени. Он представляет большой интерес не только с точки зрения проблем Андерсоновской локализации, но и с точки зрения понимания «металлического» поведения проводимости, обнаруженного в некоторых 20 системах [1].
Представляется, что для надежной интерпретации механизма низкотемпературной проводимости в 20 системах при значениях с <е И необходимо анализировать не только температурную зависимость проводимости, но и гальваномагнитные эффекты: магнитосопротивление и эффект Холла. Существенно расширяют понимание условий, при которых происходит переход от диффузионной к прыжковой проводимости, и исследования неомической проводимости. Это связано с тем, что механизмы возникновения нелинейности в двух этих режимах качественно отличны. Так при диффузионной проводимости неомичность в наших условиях связана только с разогревом электронного газа, в то время как при прыжковой проводимости появляются дополнительные механизмы нелинейности, связанные с изменением вероятности прыжков в сильном электрическом поле и ударной ионизацией.
Цель настоящей работы заключается в следующем:
• Исследовать квантовые поправки к проводимости двумерных структур на основе ОаА. Определить область проводимостей, в которой теория квантовых поправок количественно согласуется с экспериментальными данными. Исследовать поведение интерференционной поправки при уменьшении проводимости.
• Исследовать разогрев двумерного электронного газа при диффузионном механизме проводимости в двумерных структурах на основе ОаА. Определить основные механизмы релаксации энергии.
• Исследовать неомическую проводимость двумерного электронного газа в сильных электрических полях в широком диапазоне проводимостей от а^е2 И до (5<<е2/Ь. Определить диапазон проводимостей, в котором происходит переход от диффузионной к прыжковой проводимости.
Научная новизна работы.
• Впервые на хорошо аттестованных образцах проведен подробный анализ интерференционной поправки к проводимости в широком диапазоне проводимостей, начиная со значений низкотемпературной проводимости много больше е2/Ь до проводимости много меньше е2 11.
• Предложен метод анализа неомической проводимости, позволяющий отличить проводимость по делокализованным состояниям от проводимости по локализованным состояниям.
• Впервые для исследования перехода от слабой к сильной локализации в двумерных системах использован анализ производной скорости релаксации энергии по температуре электронной системы.
Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что они дают более ясную картину перехода от слабой к сильной локализации в двумерных системах. Предложен метод анализа неомической проводимости, который позволяет надежно различать проводимость по делокализованным состояниям от прыжковой проводимости.
Основные положения, выносимые на защиту:
• В диапазоне изменения проводимости от 3 е2 11 до 30е2 Л магнитосопротивление и температурная зависимость проводимости количественно описываются теорией квантовых поправок, учитывающей лишь первый член разложения по О0/а (О0=е2/лЬ). Учет следующего члена разложения по Оса дает количественное согласие с экспериментальными результатами в интервале проводимостей (0.5 - 3) e2/h.
• Качественное согласие магнитополевых и температурных зависимостей проводимости с теорией квантовых поправок наблюдается вплоть до значения проводимости 10-2e2/h.Во всем диапазоне изменения низкотемпературной проводимости (10-2 - 30)e2/hмеханизм проводимости не меняется и проводимость осуществляется по делокализованным состояниям.
• Основным механизмом релаксации энергии в исследованном диапазоне температур и концентраций является взаимодействие с акустическими фононами как через деформационный, так и через пьезоэлектрический потенциалы.
• Анализ производной скорости релаксации энергии по температуре электронной системы позволяет отличить проводимость по делокализованным состояниям от проводимости по локализованным состояниям. Такие исследования показывают, что вплоть до значений низкотемпературной проводи-мости (10-2-10-1) e2/hпроводимость идет по делокализованным состояниям.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории полупроводников и полуметаллов ИФМ УРО РАН, Зимних школах ФТИ им. А.Ф.Иоффе, 10-й Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Курган 2004), 6-й Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург 2003), 10-й Международной конференции по прыжковой проводимости и связанным с ней явлениям (HRP10, Trieste 2003)
Публикации.
По результатам проведенных исследований опубликовано 8 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 5 глав, введение и заключение. Объем диссертации составляет 126 страниц, включая 62 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 84 наименования.
В низкоразмерных системах движение носителей тока ограничено в одном или нескольких направлениях, что в первую очередь приводит к размерному квантованию, т.е. к изменению энергетического спектра носителей тока. Такое изменение спектра приводит к возникновению новых эффектов (например, целочисленного и дробного квантового эффекта Холла) и существенно меняет известные эффекты, в том числе квантовые поправки к проводимости. Так, если в трехмерном (30) случае при Т=0 квантовые поправки дают лишь малую добавку к проводимости, то в двумерном (20) случае они расходятся при Т 0. При конечной температуре относительная величина квантовых поправок в 20 структурах заметно больше, чем в 30, так что при не очень большой величине друдевской проводимости они могут стать и сравнимы с ней. В результате квантовые поправки могут привести к сильной температурной зависимости проводимости, которую ошибочно можно принять за признак перехода к прыжковому механизму проводимости.
Общепринято, что если проводимость двумерной системы СУ становится меньше кванта проводимости е2/И (е- заряд электрона, И- постоянная Планка) и наблюдается сильная температурная зависимость проводимости, механизм проводимости является прыжковым. Именно этот критерий используется в большом числе работ для определения механизма проводимости. Однако для 20 структур он не кажется бес-спорным. В этих условиях обычно наблюдаются эффекты характерные для диффузионного механизма проводимости: отрицательное магнитосопротивление близкое по форме к отрицательному магнитосопротивлению, связанному с подавлением слабой локализации; эффект Холла, который дает правильную концентрацию носителей.
Таким образом, вопрос о механизме проводимости двумерных систем при величине низкотемпературной проводимости порядка и меньше е2/И остается актуальным до настоящего времени. Он представляет большой интерес не только с точки зрения проблем Андерсоновской локализации, но и с точки зрения понимания «металлического» поведения проводимости, обнаруженного в некоторых 20 системах [1].
Представляется, что для надежной интерпретации механизма низкотемпературной проводимости в 20 системах при значениях с <е И необходимо анализировать не только температурную зависимость проводимости, но и гальваномагнитные эффекты: магнитосопротивление и эффект Холла. Существенно расширяют понимание условий, при которых происходит переход от диффузионной к прыжковой проводимости, и исследования неомической проводимости. Это связано с тем, что механизмы возникновения нелинейности в двух этих режимах качественно отличны. Так при диффузионной проводимости неомичность в наших условиях связана только с разогревом электронного газа, в то время как при прыжковой проводимости появляются дополнительные механизмы нелинейности, связанные с изменением вероятности прыжков в сильном электрическом поле и ударной ионизацией.
Цель настоящей работы заключается в следующем:
• Исследовать квантовые поправки к проводимости двумерных структур на основе ОаА. Определить область проводимостей, в которой теория квантовых поправок количественно согласуется с экспериментальными данными. Исследовать поведение интерференционной поправки при уменьшении проводимости.
• Исследовать разогрев двумерного электронного газа при диффузионном механизме проводимости в двумерных структурах на основе ОаА. Определить основные механизмы релаксации энергии.
• Исследовать неомическую проводимость двумерного электронного газа в сильных электрических полях в широком диапазоне проводимостей от а^е2 И до (5<<е2/Ь. Определить диапазон проводимостей, в котором происходит переход от диффузионной к прыжковой проводимости.
Научная новизна работы.
• Впервые на хорошо аттестованных образцах проведен подробный анализ интерференционной поправки к проводимости в широком диапазоне проводимостей, начиная со значений низкотемпературной проводимости много больше е2/Ь до проводимости много меньше е2 11.
• Предложен метод анализа неомической проводимости, позволяющий отличить проводимость по делокализованным состояниям от проводимости по локализованным состояниям.
• Впервые для исследования перехода от слабой к сильной локализации в двумерных системах использован анализ производной скорости релаксации энергии по температуре электронной системы.
Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что они дают более ясную картину перехода от слабой к сильной локализации в двумерных системах. Предложен метод анализа неомической проводимости, который позволяет надежно различать проводимость по делокализованным состояниям от прыжковой проводимости.
Основные положения, выносимые на защиту:
• В диапазоне изменения проводимости от 3 е2 11 до 30е2 Л магнитосопротивление и температурная зависимость проводимости количественно описываются теорией квантовых поправок, учитывающей лишь первый член разложения по О0/а (О0=е2/лЬ). Учет следующего члена разложения по Оса дает количественное согласие с экспериментальными результатами в интервале проводимостей (0.5 - 3) e2/h.
• Качественное согласие магнитополевых и температурных зависимостей проводимости с теорией квантовых поправок наблюдается вплоть до значения проводимости 10-2e2/h.Во всем диапазоне изменения низкотемпературной проводимости (10-2 - 30)e2/hмеханизм проводимости не меняется и проводимость осуществляется по делокализованным состояниям.
• Основным механизмом релаксации энергии в исследованном диапазоне температур и концентраций является взаимодействие с акустическими фононами как через деформационный, так и через пьезоэлектрический потенциалы.
• Анализ производной скорости релаксации энергии по температуре электронной системы позволяет отличить проводимость по делокализованным состояниям от проводимости по локализованным состояниям. Такие исследования показывают, что вплоть до значений низкотемпературной проводи-мости (10-2-10-1) e2/hпроводимость идет по делокализованным состояниям.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на семинарах лаборатории полупроводников и полуметаллов ИФМ УРО РАН, Зимних школах ФТИ им. А.Ф.Иоффе, 10-й Уральской международной зимней школе по физике полупроводников (Курган 2004), 6-й Российской конференции по физике полупроводников (Санкт-Петербург 2003), 10-й Международной конференции по прыжковой проводимости и связанным с ней явлениям (HRP10, Trieste 2003)
Публикации.
По результатам проведенных исследований опубликовано 8 научных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 5 глав, введение и заключение. Объем диссертации составляет 126 страниц, включая 62 рисунка и 4 таблицы. Список литературы содержит 84 наименования.
В Заключении сформулированы основные результаты работы:
1. Проведены экспериментальные исследования кинетических явлений в структурах ОаЛз/ХпОаЛз/ОаЛз с двумерным электронным газом в широком диапазоне проводимостей как выше, так и ниже е2 11.
2. Показано, что в диапазоне изменения проводимости (10-2-30)е2/Л температурная зависимость с и слабополевое магнитосопртивление определяется квантовыми поправками к проводимости. Таким образом, проводимость во всем этом диапазоне может быть адекватно интерпретирована в рамках модели проводимости по делокализованным состояниям.
3. Показано, что экспериментальная зависимость скорости релаксации энергии от температуры электронного газа, температуры решетки и от концентрации электронов в диапазоне температур (0.4-5)K и концентрации (1.5-6)х1015м-2 количественно описывается теорией релаксации энергии при учете взаимодействия с деформационным и пьезоэлектрическими потенциалами акустических фононов.
4. Проведен анализ неомической проводимости в диапазоне проводимостей (10-4-30)e2/h. Показано, что производные скорости релаксации энергии по температуре электронов, измеренные при различных температурах решетки, ложатся на одну кривую вплоть до значений низкотемпературной проводимости порядка 10-2e2/h.Таким образом механизм проводимости не меняется до величин низко-температурной проводимости порядка 10-2e2/h.Этот вывод согласуется с результатами исследования квантовых поправок в этом диапазоне.
5. Показано, что расхождение зависимостей dP/dTe (Te),определенных из измерений неомической проводимости при различных температурах решетки, наблюдаемое при значениях низкотемпературной проводимости меньше 10~3e2/h,может быть связано либо с переходом к прыжковой проводимости по локализованным со-стояниям, либо с появлением крупномасштабных неоднородностей в образце.
1. Проведены экспериментальные исследования кинетических явлений в структурах ОаЛз/ХпОаЛз/ОаЛз с двумерным электронным газом в широком диапазоне проводимостей как выше, так и ниже е2 11.
2. Показано, что в диапазоне изменения проводимости (10-2-30)е2/Л температурная зависимость с и слабополевое магнитосопртивление определяется квантовыми поправками к проводимости. Таким образом, проводимость во всем этом диапазоне может быть адекватно интерпретирована в рамках модели проводимости по делокализованным состояниям.
3. Показано, что экспериментальная зависимость скорости релаксации энергии от температуры электронного газа, температуры решетки и от концентрации электронов в диапазоне температур (0.4-5)K и концентрации (1.5-6)х1015м-2 количественно описывается теорией релаксации энергии при учете взаимодействия с деформационным и пьезоэлектрическими потенциалами акустических фононов.
4. Проведен анализ неомической проводимости в диапазоне проводимостей (10-4-30)e2/h. Показано, что производные скорости релаксации энергии по температуре электронов, измеренные при различных температурах решетки, ложатся на одну кривую вплоть до значений низкотемпературной проводимости порядка 10-2e2/h.Таким образом механизм проводимости не меняется до величин низко-температурной проводимости порядка 10-2e2/h.Этот вывод согласуется с результатами исследования квантовых поправок в этом диапазоне.
5. Показано, что расхождение зависимостей dP/dTe (Te),определенных из измерений неомической проводимости при различных температурах решетки, наблюдаемое при значениях низкотемпературной проводимости меньше 10~3e2/h,может быть связано либо с переходом к прыжковой проводимости по локализованным со-стояниям, либо с появлением крупномасштабных неоднородностей в образце.