周期势场调制下GaAs二维电子系统的量子输运

发布时间：2020-09-04 21:45

　　 GaAs/AlGaAs异质结二维电子系统是最纯净的固态电子材料,由于其超高的电子迁移率,在低温下可呈现出异常丰富的物理现象(如广为人知的量子霍尔效应),三十多年来一直是凝聚态物理基础研究和量子器件探索的重要平台。近年来,理论研究表明,在面内六方周期势调制下GaAs/AlGaAs二维电子系统可出现类似于单层石墨烯的能带结构,从而体现出狄拉克电子特有的新奇量子现象。通过微纳加工手段引入六方周期势调制,制备基于GaAs/AlGaAs二维电子系统的人工石墨烯样品,构造参数可调的狄拉克电子系统,是近年来二维电子系统研究的一个挑战性的前沿课题。基于本实验室自主生长的GaAs/AlGaAs二维电子材料,本文通过电子束曝光和ICP刻蚀等微纳加工手段,在GaAs/AlGaAs二维电子材料面内制备出周期性微纳结构,系统地研究了它们的低温磁输运性质,为我们进一步探索实现GaAs/AlGaAs二维电子人工石墨烯奠定了条件。具体内容如下:1)摸索和优化了在GaAs/AlGaAs二维电子样品面内制备二维antidot三角晶格的微纳加工工艺,成功制备出晶格常数在1000nm至100nm范围内的高质量antidot晶格样品,测量了它们在低温下的量子输运性质。在纵向磁阻ρ_(xx)中,除了普遍观测到可归因于钉扎回旋共振轨道(pinned cyclotron orbits)的几何共振振荡,在样品中调制势较强时还观测到非常清晰的AB振荡和AAS振荡,这表明我们制备的antidot晶格具有很好的周期和均匀性。在Hall电阻ρ_(xy)中,观测到对应ρ_(xx)几何共振峰的台阶、dρ_(xy)/dB与ρ_(xx)之间的高度相似性、以及零磁场附近的霍尔电阻quenching等特征现象。此外,我们考察了antidot晶格样品在直流电流偏置下的微分电阻,发现几何共振振荡峰在偏置较大时表现出相位反转的非线性效应。2)通过在GaAs/AlGaAs二维电子样品面内制备一维门电极光栅,研究了二维电子系统在一维周期势调制下的量子输运,清楚地观测到回旋共振轨道与一维调制空间周期公度的几何共振振荡。在负门电压情况,几何振荡呈现的规律符合通常由光栅调制周期给出的理论预期;然而,在正门电压情况下,几何振荡呈现出比预期更丰富的结构。傅里叶分析发现,随着门电压往正方向变化,几何振荡的基频分量迅速衰减,而二倍频分量逐渐增强直至占据主导,并且在门电极更窄的情况下观测到三倍频分量。我们定性地认为,门电极上的正电压使其下方的势垒发生劈裂,由此使周期势垒的各倍频分量的权重发生变化,粗略的势场模拟支持我们这一观点。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O469

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本文编号：2812631