Новые кинетические явления в полупроводниковых электронных системах низкой размерности

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

Низкоразмерные полупроводниковые системы широко исследуются как в связи с их использованием в практических устройствах (микроэлектроника, на-ноэлектроника и т. д.), так и с тем, что они являются полигоном для изучения новых явлений фундаментальной физики типа квантового эффекта Холла. Одним из наиболее часто исследуемых материалов является СаАв. В связи с этим, глубокое понимание физических явлений на микроскопическом уровне в системах низкой размерности всегда является актуальным. Особенно важна кинетика, как транспортные явления, связанные с протеканием тока, так и спиновая динамика. Например, исследование многих проблем физики твердого тела требует понимания процессов электронного туннелирования в магнитном поле. Среди таких проблем мы можем указать: исследование протекания тока в туннельном контакте, помещенном в магнитное поле, прыжковое магнетосопротивление полупроводников, туннелирование между краевыми состояниями в режиме квантового эффекта Холла. Что касается спина, то важность изучения спиновых явлений видна на примере начинающегося бума вокруг квантового компьютера. Как известно, одним из кандидатов на практическую реализацию алгоритма квантового вычисления являются спиновые состояния в квантовых точках (дотах). Отметим, что наиболее продвинутые экспериментальные группы используют ваАв в качестве объекта исследования, и, как результат, понимание спиновой динамики (например, ее особенностей, обусловленных спецификой зонной структуры ОаАэ) является актуальным в настоящее время. Кроме того, спин исключительно важен (как это становится все более очевидным в последних экспериментальных исследованиях) для понимания физики дробного эффекта Холла. Не случайно основные теоретические и экспериментальные открытия последних лет так или иначе связаны со спиновой физикой (и определяемым спином обменным взаимодействием носителей). Упомянем здесь лишь скирмионы и волны зарядовой плотности на высоких уровнях Ландау. Таким образом, значительный интерес в исследованиях низкоразмерных систем связан с кинетикой в магнитном поле, а также с наличием спина. Вместе с тем, никак нельзя сказать, что кинетика в магнитном поле исследована полно (примером является рассмотренное в главах 1,2 настоящей диссертации новое явлениеаномальное туннелирование). Исследование спиновой динамики тем более только начинается.

Целью работы является развитие теории новых кинетических явлений в полупроводниках, с упором на те явления, для которых качественно новые особенности обусловлены низкой размерностью системы.

Научная новизна работы.

Научная новизна определяется следующими основными результатами, полученными впервые и выносимыми на защиту:

1. Предсказан эффект аномальной прозрачности при туннелировании электрона в сильном поперечном магнитном поле вблизи поверхности кристалла. Показано, что рассеяние электрона на поверхности во время подбарьерного туннелирования приводит к существенному (экспоненциальному) ослаблению действия магнитного поля на затухание волновой функции связанного состояния. Исследована асимптотика волновой функции доноров в пленке в параллельном поверхности магнитном поле в зависимости от толщины пленки. Показано, что прыжковая проводимость вдоль пленки определяется тонким приповерхностным слоем. При этом электропроводность экспоненциально больше, а зависимость от магнитного поля слабее, чем в объемном образце.

Показано также, что электрон-фононное взаимодействие значительно усиливает подба-рьерное туннелирование в поперечном магнитном поле. При туннелировании на большое расстояние наиболее эффективны процессы многофононного рассеяния. Найдено выражение для сопротивления элемента сетки сопротивлений Миллера-Абрахамса в прыжковой проводимости с учетом подавления магнитного барьера при рассеянии на фононах. Получена экспоненциальная зависимость от температуры и приложенного напряжения кондак-танса туннельного перехода в магнитном поле параллельном диэлектрической прослойке.

2. Исследованы механизмы переворота спина в ОаЛк квантовых точках для электронных переходов с участием фононов как между различными орбитальными состояниями, так и между зеемановскими подуровнями. Показано, что несколько механизмов, которые обусловлены спин-орбитальной связью, являются основными. Показано, что спиновая релаксация электронов, локализованных в доте, принципиально отличается от таковой для свободных электронов. Наиболее эффективные механизмы, связанные с отсутствием инверсионной симметрии, оказываются сильно подавленными для локализованных электронов. Это приводит к необычайно малым скоростям переворота спина.

Показано, что в случае переходов между зеемановскими подуровнями основной причиной малости переходов с переворотом спина является так называемое сокращение ван Флека, которое является следствием теоремы Крамерса в применении к случаю локализованных состояний.

3. Построена теория переходов между спиново-расщепленными краевыми каналами в режиме квантового эффекта Холла. (Экспериментально подтверждено).

4. Построена теория нового явления, которое проявляется в сильной анизотропии туннельной диффузионной аномалии для различных ориентаций внешнего классического магнитного поля. Показано, что нелинейный дифференциальный туннельный кондактанс имеет универсальную зависимость от магнитного поля. (Экспериментально подтверждено).

5. Предсказан новый механизм кулоновского увлечения в двойных двумерных электронных системах в слабом магнитном поле связанный с резонансным туннелированием магнетоплазмонов между слоями. Ток в активном слое вызывает магнетоплазмонный ветер, и при последующем поглощении этих магнетоплазмонов электронами пассивного слоя происходит передача импульса.

6. Показано, что в пределе малых концентраций скирмионы связаны в пары с топологическим зарядом равным 2. Предсказан новый квантовый фазовый переход второго рода, связанный со спиновым распределением в решетке скирмионов, аналогичный сверхпроводящему фазовому переходу в системе джозефсоновских туннельных контактов.

7. Предсказан геометрический эффект композитных фермионов, который проявляется в сильном подавлении тока через образец при приложении очень малого напряжения на затворе. Явление связано с появлением эффективного магнитного барьера, который сильно искривляет баллистические траектории частиц. (Экспериментально обнаружен).

8. Вычислена проводимость двумерного вырожденного электронного газа в микроскопиче неоднородном магнитном поле вихрей Абрикосова. Показано, что холловское сопротивление в таком поле определяется величиной параметра, который есть отношение диаметра вихря к фермиевской длине волны электрона. Холловское сопротивление определяется средним значением магнитного поля в плоскости только при большой величине этого параметра. Показано, что присутствие вихрей приводит к конечному продольному сопротивлению даже в отсутствии других рассеивающих центров, и к линейному магнетосо-противлению для вырожденного электронного газа. (Экспериментально подтверждено).

9. Предсказаны дополнительные (полуцелые) ступени в зависимости кондактанса двумерного микросужения от напряжения на затворе в нелинейном режиме по тянущему напряжению. (Экспериментально обнаружены).

10. Предсказан классический размерный эффект в проводимости тонких пленок полупроводников с вырожденной валентной зоной (типа р-СаАн) при зеркальном рассеянии носителей на поверхности. Ранее считалось, что размерный эффект возможен только при диффузном рассеянии. Эффект есть результат взаимного превращения легких и тяжелых дырок при зеркальном рассеянии на поверхности, которое приводит к появлению эффективной силы трения между различными компонентами дырочного газа.

11. Предсказаны новые осцилляции в поперечном магнетосопротивлении классического точечного контакта, которые по своему физическому смыслу аналогичны зондгеймеров-ским осцилляциям в металлических пленках.

Достоверность полученных результатов гарантируется детальным теоретическим анализом рассматриваемых задач, строгим математическим доказательством результатов, имеющих количественную природу, обоснованностью постановок задач, и сравнением полученных теоретических выводов с результатами экспериментов.

Практическая ценность работы.

Практическое значение диссертационной работы связано с возможностью использования полученных теоретических результатов при экспериментальных исследованиях в полупроводниковых двумерных системах физических явлений, обсуждаемых в диссертации. В частности, часть предсказанных эффектов уже обнаружена экспериментально.

Апробация работы.

Результаты диссертации докладывались на следующих международных конференциях: Workshop «Magnetotransport in Mesoscopic Systems», Liblice, Czechoslovakia, 1990, на Международной конференции «Superlattices and Microstructures», Berlin, 1990, на General Conference of Condensed Matter Division of European Physical Society, Prague, 1992, на XlVth Moriond Workshop «Coulomb and Interference Effects in Small Electronic Structures», Villars sur Ollon, Zwitserland, 1994, на 11th Int. Conf. «High Magnetic Fields in Semiconductor Physics» (SEMIMAG-94), MIT, Cambridge, USA, August, 1994, на 22nd Int. Conf. of the Physics of Semiconductors, Vancouver, 1994, на 16th General Conference of Condensed Matter Division of European Physical Society, Leeuwen, Belgium, 1997, на 24nd Int. Conf. of the Physics of Semiconductors, Jerusalem, Israel, August, 1998, на Международной конференции «Semimag 13», Neijmegen, The Netherlands, August, 1998, на Int. Conf. on the Electronic Properties of Two-Dimensional Systems, EP2DS 13, Ottawa, August 1999, на Зимних Школах по двумерным системам, Маутендорф, Австрия, в 1992, 1994 годах, на ежегодных научных собраниях Голландского Научного Общества, г. Эйндховен, Нидерланды в 1993, 1994, 1998 годах, на ряде Всесоюзных конференций, а также на научных семинарах Института Физики Твердого Тела РАН, Института Проблем Технологии Микроэлектроники РАН, Физико-Технического Института им. А. Ф. Иоффе РАН, Института Макса Планка, Штуттгарт, ФРГ, Технологического Университета, Дельфт, Нидерланды, Университета г. Лейдена, Нидерланды, Университета г. Гронингена, Нидерланды, Кавендишской Лаборатории, Кембридж, Англия, Университета г. Ланкастер, Англия, Университета г. Нот-тингама, Англия, NORDITA Института, Копенгагенского Университета, Дания.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1−26], приведенных в списке литературы.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, за.

Заключение

.

Сформулируем основные новые результаты, полученные в диссертации:

1. Предсказан эффект аномальной прозрачности при туннелировании электрона в сильном поперечном магнитном поле. Показано, что рассеяние электрона на поверхности кристалла во время подбарьерного туннелирования приводит к существенному ослаблению действия магнитного поля на затухание волновой функции связанного состояния. Это объясняется тем, что при рассеянии электрон сдвигает центр магнитного осциллятора в туннельном направлении, что уменьшает магнитный барьер и экспоненциально увеличивает вероятность туннелирования. Исседована асимптотика волновой функции доноров в пленке в параллельном поверхности магнитном поле в зависимости от толщины пленки. Показано, что прыжковая проводимость вдоль пленки определяется тонким приповерхностным слоем, где электроны для туннелирования «используют» взаимодействие с поверхностью. При этом электропроводность экспоненциально больше, а зависимость от магнитного поля слабее, чем в объемном образце.

Показано также, что электрон-фононное взаимодействие значительно усиливает подба-рьерное туннелирование в поперечном магнитном поле. При туннелировании на большое расстояние наиболее эффективны процессы многофононного рассеяния. Найдено выражение для сопротивления элемента сетки сопротивлений Миллера-Абрахамса в прыжковой проводимости с учетом подавления магнитного барьера при рассеянии на фононах. Получена экспоненциальная зависимость от температуры и приложенного напряжения кондак-танса туннельного перехода в магнитном поле параллельном диэлектрической прослойке.

2. Исследованы механизмы переворота спина в ваАв квантовых точках для электронных переходов с участием фононов как между различными орбитальными состояниями, так и между зеемановскими подуровнями. Показано что несколько механизмов, которые обусловлены спин-орбитальной связью, являются основными. Вычислены скорости переходов для всех механизмов. Показано, что спиновая релаксация электронов локализованных в доте принципиально отличается от таковой для свободных электронов. Наиболее эффективные механизмы, связанные с отсуствием инверсионной симметрии, оказываются сильно подавленными для локализованных электронов. Это приводит к необычайно малым скоростям переворота спина.

Показано, что в случае переходов между зеемановскими подуровнями основной причиной малости переходов с переворотом спина является так называемое сокращение ван Флека, которое является следствием теоремы Крамерса в применении к случаю локализованных состояний.

Оценены также скорости переходов для механизмов не связанных со спин-орбитальным взаимодействием, например из-за флуктуирующего магнитного поля, обусловленного флуктуациями концентрации электронов в берегах.

3. Построена теория переходов между спиново-расщепленными краевыми каналами в режиме квантового эффекта Холла. Спин-орбитальное взаимодействие рассматривается в качестве механизма переворота спина. (Экспериментально подтверждено).

4. Построена теория нового явления, которое проявляется в сильной анизотропии туннельной диффузионной аномалии для различных ориентаций внешнего классического магнитного поля. Показано, что нелинейный дифференциальный туннельный кондактанс имеет универсальную зависимость от магнитного поля. (Экспериментально подтверждено).

5. Предсказан новый механизм кулоновского увлечения в двойных двумерных электронных системах в слабом магнитном поле связанный с резонансным туннелированием магнетоплазмонов между слоями. Ток в активном слое вызывает магнетоплазмонный ветер, и при последующем поглощении этих магнетоплазмонов электронами пассивного слоя происходит передача импульса.

6. Показано, что в пределе малых концентраций скирмионы связаны в пары с топологическим зарядом равным 2. Предсказан новый квантовый фазовый переход второго рода, связанный со спиновым распределением в решетке Скирмионов, анологичный сверхпроводягцему фазовому переходу в системе джозефсоновских туннельных контактов.

7. Предсказан геометрический эффект композитных фермионов, который проявляется в сильном подавлении тока через образец при приложении очень малого напряжения на затворе. Явление связано с появлением эффективного магнитного барьера, который сильно искривляет баллистические траектории частиц. (Экспериментально обнаружен).

8. Вычислена проводимость двумерного вырожденного электронного газа в микроскопиче неоднородном магнитном поле вихрей Абрикосова Показано, что холловское сопротивление в таком поле определяется величиной параметра, который есть отношение диаметра вихря к фермиевской длине волны электрона. Холловское сопротивление определяется средним значением магнитного поля в плоскости только при большой величине этого параметра. Показано, что присутствие вихрей приводит к конечному продольному сопротивлению даже в отсутствии других рассеивающих центров и к линейному магнетосопротивлению для вырожденного электронного газа. (Экспериментально подтверждено).

9. Предсказаны дополнительные (полуцелые) ступени в зависимости кондактанса двумерного микросужсния от напряжения на затворе в нелинейном режиме по тянущему напряжению. (Экспериментально обнаружены).

10. Предсказан классический размерный эффект в проводимости тонких пленок полупроводников с вырожденной валентной зоной (типа р-СаАй) при зеркальном рассеянии носителей на поверхности. Ранее считалось, что размерный эффект возможен только при диффузном рассеянии. Эффект есть результат взаимного превращения легких и тяжелых дырок при зеркальном рассеянии на поверхности, которое приводит к появлению эффективной силы трения между различными компонентами дырочного газа.

11. Предсказаны новые осцилляции в поперечном магнетосопротивлении классического точечного контакта, которые по своему физическому смыслу аналогичны Зондгеймеров-ским осцилляциям в металлических пленках.

Ряд эффектов, предсказанных в диссертации, уже обнаружен экспериментально.

Наконец, я хотел бы принести глубокую благодарность всем своим соавторам и многочисленным коллегам, с которыми обсуждались работы, вошедшие в диссертацию.