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半导体材料的磁输运和HgTe岛晶的光学性质

吕蒙  
【摘要】:自旋轨道耦合和塞曼效应是影响电子自旋动力学的两个重要物理机制,本论文验证和扩展了两者相互竞争的理论。另外还研究了Mg Zn O薄膜的三维弱局域效应和磁阻各向异性,以及Sr Ti O3衬底上生长的Hg Te岛晶的应力。主要研究内容如下:(1)系统研究了AlxGa1-x N/Ga N量子阱的输运性质,重点研究了AlxGa1-x N/Ga N量子阱在平行磁场中的反弱局域效应。通过对不同组分的样品的研究,其自旋轨道耦合分别起源于k线性体反演不对称和结构反演不对称,我们发现自旋轨道耦合与塞曼效应竞争时的自旋动力学并无本质不同。对反弱局域效应采用修正ILP模型进行拟合,我们得到了相位退相干时间和自旋轨道散射时间随平行磁场的变化规律:前者随平行磁场的增加而二次方减小,而后者却二次方增加。同时通过相位退相干时间变化的系数提取出了电子有效g因子,其值与Sd H振荡和塞曼效应得到的有效g因子一致,由此我们确认了AlxGa1-x N/Ga N量子阱系统在平行磁场下的反弱局域效应由自旋轨道耦合和塞曼效应的竞争主导。(2)选取了两个不同组分和掺杂的Hg1-xCdx Te样品,进行阳极氧化后形成反型层及二维电子气,通过实验测量发现其反弱局域效应分别处于扩散输运和弹道输运区域,即样品分别为弱自旋轨道耦合系统和强自旋轨道耦合系统。通过研究反弱局域效应在平行磁场中的变化规律,采取Golub模型拟合反弱局域效应,我们得到了相位退相干时间仍然随平行磁场的增加而二次方减小;然而自旋轨道散射时间随平行磁场却无明显变化,我们认为一方面这是由于结构反演不对称占主导的系统中其变化本来就不太明显,另一方面是由于系统中的自旋轨道耦合强度比AlxGa1-x N/Ga N量子阱系统要强很多。同时,由相位退相干时间随平行磁场的变化系数提取出了有效g因子,其值与Sd H振荡中自旋分裂峰提取出的值一致,从而将自旋轨道耦合和塞曼效应的竞争理论拓展到了强自旋轨道耦合系统中。(3)研究了存在表面粗糙涨落效应的Hg1-xCdx Te反型层样品,发现此效应会导致反弱局域效应随平行磁场的增加先增强然后才减弱。当平行磁场较大后,系统表现出如同无表面粗糙涨落效应的现象,这时相位退相干时间仍然随平行磁场的增加而二次方减小。在不同温度重复试验,我们得到了相位退相干时间随平行磁场的变化系数不变,有力的验证了自旋轨道耦合和塞曼效应的竞争理论。(4)详细研究了Zn O衬底上生长的Mg Zn O薄膜的磁输运性质。一方面发现样品存在很强的三维弱局域效应。我们采用了Kawabata三维模型和直接通过观察样品磁阻的变化速率两种方法得到了相位相干长度。其从50 K时的38.4±1 nm增加至1.4 K时的99.8±3.6 nm,并且其随温度的变化关系可描述为T3/4-。另一方面,我们在拟合过程中得到了系统的各向异性常数,通过对样品磁阻的各向异性的细致研究,我们得出其源自于几何效应和洛伦兹力影响路径长度效应,并且发现其随着温度升高减弱,随着磁场增加增强、且与电流方向有关。(5)选用了Sr Ti O3作为衬底生长了Hg Te岛晶,采用显微拉曼成像研究发现,大Hg Te岛晶的中间厚的部分的拉曼峰的波数和体材料相同,来自横模声子和纵模声子的拉曼峰的波数分别为117.1cm-1和137.3cm-1,而边缘处薄的部分的拉曼峰的波数会增大,分别为125.8cm-1和144.5cm-1。对其的理论分析发现,这是由Sr Ti O3衬底应力带来的,来自横模声子和纵模声子的拉曼峰的波数移动之比正好等于来自纵模声子和横模声子的拉曼峰的波数之比一致。我们希望这可以为将来研究受应力Hg Te成为三维拓扑绝缘体创造基础。


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